某型高强度螺栓断裂失效分析

1、材料热处理技术Material&HeatTreatment2009年1月某型高强度螺栓断裂失效分析林轻，杨兴林(江苏科技大学机械工程学院,江苏镇江212003)摘要：为了能确定某海上设备使用的35CrMnSiA高强度螺栓的断裂原因，对断裂的螺栓进行外观检查，断口宏观、微观分析，氢含量检测，金相组织检查及硬度检测等试验。在理化试验的基础上，运用微观断裂机理对螺栓的断裂原因进行分析，得出结论：其断裂失效性质为由应力，氢和腐蚀共同作用引起的氢致开裂型应力腐蚀断裂。其中，引起螺栓断裂的氢来自外界腐蚀环境。提出改善螺栓的加工工艺和使用无氢脆的涂覆层来提高螺栓的抗腐蚀断裂能力。关键词：高强度螺栓；

2、失效分析；氢脆；应力腐蚀；微观断裂机理中图分类号：TH131.3文献标识码：A文章编号：1001-3814(2009)02-0128-03FractureAnalysisofaHighStrengthBoltLINQing，YANGXinglin(SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212003,China)Abstract：Inordertodefinitethefailurereasonof35CrMnSiAhigh-strengthboltsusedinanocean

3、equipment,theexperimentssuchasappearanceexamination,macro-andmicro-fractographsanalysis,hydrogencontentdetermination,microstructureexamination,rigiditytestingwerecarriedout.Basedonthephysicsandchemistryexperiments,thereasonsofthebolt'sfracturewereanalyzedusingmicro-fracturemechanism.Theresultssh

4、owthatthecharacterofthebolt'sfractureishydrogeninducedcrackingstresscorrosionbytheeffectofstress,hydrogenandenvironmenttogether.Andthehydrogencomesfromcorrosionenvironment.Amelioratingthemachiningtechnicsoftheboltsandusingnohydrogenembrittlementcoatingcomponentscanhelptoimprovetheabilityofdefend

5、ingcorrosionfracture.Keywords：highstrengthbolt;failureanalysis;hydrogenembrittlement;stresscorrosion;micro-fracturemechanism1基本情况某型号高强度螺栓用于某海上设备轴承基座能检验精加工磁粉探伤(包括螺纹部分)表面油漆防护装配。目前，采用的无损检测手段无法检测出螺栓内部0.2mm以下的微裂纹。通过金相检验、氢含量检验和断口电镜扫描分析等相关的手段对断裂的螺栓及未断裂的随机抽取样品进行相应的检验和断裂原因分析。上，其强度要求很高。该型螺栓在生产检验合格服役5个月后，发现个别螺

6、栓相继在螺纹处发生断裂。该型高强度螺栓为铰制孔螺栓(螺纹长度95mm)，材料为35CrMnSiA钢，规格为M56，螺杆长度为235mm，强度要求以GB/T3077-1999为标准。其制造工艺为：毛坯电渣重熔预加工超声波探伤粗加工(单边留量35mm)调质处理(950淬火，630回火)半精加工淬火热处理(淬火温度为900，310回火)力学性收稿日期:2008-08-29基金项目:江苏省博士后科研资助计划资助项目(0701017C)作者简介:林轻(1981-),男,安徽铜陵人,硕士研究生,研究方向为应力腐蚀断裂,机械制造等;电话2实验方法与结果实验对象为该型螺栓2枚，其

7、中包括断裂的2.1实验对象铰制孔螺栓，以及对应同型号未断螺栓1枚。2.2外观检验用肉眼观察，铰制孔螺栓断于第一节螺纹处，见图1，断口均很平齐，无塑性变形，断面与轴线垂直，为一次性脆性断口，见图2。且在断口附近有明显的腐蚀痕迹。E-mail:applelq通讯作者:杨兴林(1964-),男,湖北宜昌人,博士,教授,研究方向为材料制备与零件一体化等;电话2.3化学成分分析分别对所取2个螺栓试样进行化学成分检验E-mail:hcyjsb128HotWorkingTechnology2009,Vol.38,No.2下半月出版Material&HeatTreatme

8、nt材料热处理技术裂螺栓为5.56，显微组织显示齿面局部略有脱碳，组织为回火马氏体，见图5。图1螺栓宏观断裂形貌图2螺栓断口全貌Fig.1ThemacroscopicmorphologyofhingedboltFig.2Fracturemorphologyonthesurfaceofhingedbolt50m分析，结果表明，2个螺栓化学成分含量均符合GB/T3007-99的标准。2.4氢含量检测分别对已断裂的铰制孔螺栓及未断裂铰制孔螺栓的光杆边缘处、R/2处及芯部进行氢含量检测，其中已断裂和未断裂的螺栓光杆边缘处及芯部检测结果基本一致，R/2处检测结果出入比较大，分别为2.0×10-

9、6和0.6×10-6。图4螺栓齿面组织Fig.4Microstructureonthesurfaceofbolttooth2.5断口分析将断裂的铰制孔螺栓断口清洗后置于扫描电镜下观察，断口的形貌大部分均为沿晶和少量的韧窝，见图3。图5螺栓芯部金相组织20mFig.5Microstructureoftheboltcore测得其硬度大于50HRC，抗拉强度大于1750MPa，说明该材料的强度级别很高，属于超高强度钢。3分析与讨论上述实验结果表明：该型号螺栓无论在力学性能、化学成分以及晶粒度等方面均符合相关标准。该螺栓组织为回火马氏体，回火马氏体对氢是极其敏感的。该螺栓的强度很高，因此同样

10、对氢脆的敏感性也很高。一般来说，发生氢致延迟断裂需要同时具备以下三个条件：材料内部有微裂纹、有拉应力及腐蚀环境。该螺栓服役的环境为海洋大气环境，平时处于预紧状态，受到拉应力的作用，螺纹根部受力为三向拉应力，根据前期的相关计算，螺栓所受拉图3螺栓断口扫描电镜形貌Fig.3TheSEMmorphologiesofboltfracture应力大小约为780MPa。从螺栓的服役情况来看，发生氢致延迟断裂的后两个条件已经具备了，根据历来经验，构件内部微裂纹产生有三种原因1：由于环境(疲劳、腐蚀介质、高温和联合作用等)的影响，在构件的圆角应力集中处，经过一段使用时间产生宏观微小裂纹；材料中原来就存在缺陷；

11、在加工过程中出现裂纹。2.6金相检验及硬度检测断裂的螺栓中均有氮化物夹杂，未断裂螺栓的齿面与齿根未见微观裂纹，见图4。已断裂螺栓存在个别夹杂物超出标准规定尺寸，未断裂螺栓无此现象。已断裂螺栓的晶粒度级别为67，未断热加工工艺2009年第38卷第2期129材料热处理技术Material&HeatTreatment经过前期有限元分析知，螺纹根部为该螺栓应力集中处之一，但该处并非圆角应力集中处，由此可以排除这种情况。由于该螺栓用于极其重要的特殊装备上，其毛坯在进厂时进行了严格的化学成分、低倍组织、非金属夹杂及芯部晶粒度等项目检验，且均符合相关标准，这说明裂纹的产生由材料内部缺陷造成的可能性并

12、不大。从该螺栓的加工工序来看，完全有可能在加工的过程中导致其内部材料组织受损，形成细小的微裂纹。通过相关计算，该螺栓螺纹根部所允许的临界裂纹长度为0.07mm，而目前无损检测手段无法检测出0.2mm以下的微裂纹。在螺栓加工的过程中完全有可能会使材料内部组织受损而产生大于2009年1月应力的共同作用下微裂纹就会开裂。最终的结果是氢使裂纹开始扩展的临界应力强度因子下降，也就是说氢促进了裂纹的扩展4。随即氢又进行上坡扩散向微裂纹前沿聚集，经过一段孕育期后微裂纹又发生开裂。这一过程不断反复进行，当裂纹长度达到临界值时，在应力作用下，裂纹失稳扩展，螺栓发生突然断裂。在实际的应力腐蚀过程中，应力、氢和腐蚀

13、环境总是同时存在的，它们可以单独起作用，也可以同时对材料产生作用5。百万分之几的氢含量就可导致超高强度钢发生氢脆6。因此，该型号螺栓的断裂是在应力、氢和腐蚀共同作用下引起的氢致开裂型应力腐蚀断裂。其中，氢来源于外界腐蚀环境。0.07mm而小于0.2mm的微裂纹，从而使现有的无损检测手段无法检测出来。因此，合格出厂的螺栓中也完全有可能会存有潜在发生氢脆断裂的螺栓。螺栓材料中微裂纹、应力集中和其他缺陷等的存在，是加速氢的聚集、扩散乃至断裂的必要条件，微裂纹也是螺栓断裂的断裂源。由氢含量检测试验可以得出，断裂的螺栓比未断裂的螺栓在R/2处氢含量要高得多。因此，该螺栓的断裂可以初步断定是由氢脆引起的。

14、氢脆可分为由内氢和外氢引起的氢脆，内氢是在制造过程中侵入材料的氢，而外氢是在使用过程中由外部腐蚀环境侵入的氢。在未断裂螺栓的氢含量检测中，其氢含量是符合相关标准的，由此可以推断，断裂螺栓中的超标氢是来自外部腐蚀环境中的氢。且内氢一般在螺栓使用前或使用后比较短的时间内就会使螺栓出现裂纹或断裂；外氢进入材料内部需要有一个积累的过程，使氢含量逐步达到破坏的含量，因此需要较长的时间才能使螺栓发生断裂。由于该螺栓强度要求很高，在以往的生产中曾因电镀镉引起过氢脆，后改进工艺取消电镀工序，改为表面油漆防护，这使得螺栓的抗腐蚀性能下降。在铰制孔螺栓的断口附近可以明显看到有腐蚀的痕迹，说明该螺栓确实存在腐蚀，也

15、就存在由腐蚀而使螺栓吸氢的可能。海洋大气环境含有丰富的氢，部分原子态的氢被螺栓材料吸收进入螺栓内部，由于应力诱导扩散，使氢向螺栓内微裂纹前沿最大三向应力处聚集，经过一段孕育期，当微裂纹前沿聚集的氢浓度达到临界值时，在氢和324结论与建议(1)该型高强度螺栓的断裂性质为由应力、氢和腐蚀共同作用引起的氢致开裂型应力腐蚀断裂。(2)该型螺栓在加工过程中可能已经导致内部组织损伤，从而材料内部有微裂纹，在海洋大气环境中受到腐蚀，海洋大气环境中的氢被螺栓吸收，在三向拉应力的作用下氢致微裂纹扩展，从而导致螺栓断裂失效。(3)为了在螺栓制造过程中尽量将其内部组织损伤减小到最小，应严格制定其工艺规格。考虑到螺栓工作环境为海洋大气和海水，作为防止、减缓应力腐蚀断裂较为有效且经济适用的途径，电镀保护层还是必要的。为了避免再次发生因为电镀而产生的氢脆断裂，建议使用无氢脆的涂覆层，可采用已在汽车、航空、航天等行业广泛使用的锌铬涂层(即达克罗涂层)，相关技术要求可参照GB/T18684-2002。参考文献：123456程靳，赵树山断裂力学M.北京：科学出版社，20062-3.孙小炎螺栓氢脆问题研究J航空标准化,2007，(2)：1-