ml40cr钢内六角螺钉装配过程中断裂分析

ml40cr钢内六角螺钉装配过程中断裂分析

为连接钢的要求，需要很高的强度和弹性。螺钉作为重要的零部件,其失效事故发生较多,造成的危害很大,其中,氢致延迟断裂是较为常见的故障模式,由于氢致延迟断裂大多与“批次性”有关,因此,危害性较大。1断裂螺钉宏观形貌GB/T70.1—2000规格M20×95内六角螺钉在装配过程中发生断裂,其安装力矩为490N·m,为查清螺钉断裂的原因,防止类似事件的发生,对断裂螺钉进行理化检验和分析。该批螺钉性能等级为12.9级,材质为ML40Cr,表面发黑处理,期间未接触腐蚀性介质。3件螺钉断裂位置在螺杆与头部接合处,一件位于末牙螺纹底部,断面均严重锈蚀。断裂螺钉的断面宏观形貌如图1所示。由图1可见断口较平齐,断面均严重锈蚀,呈灰色,有明显的放射棱线,从螺钉周向的一侧弧线起源向对侧扩展。断口附近无宏观塑性变形,无腐蚀产物。2错误原因分析2.1螺钉的化学成分运用Labspark750型火花光谱仪对螺钉进行化学成分分析,结果见表1。由表1可知螺栓的化学成分符合GB/T6478—2001中ML40Cr钢的要求。2.2螺钉表面组织从断裂螺钉的断口处截取试样制备金相试样,螺钉表面组织如图2所示。由图2可以看出,螺钉表面组织为回火屈氏体及回火索氏体+少量未溶铁素体,组织为3.5~4级。2.3试样硬度测定采用负荷为0.3kg的显微维氏硬度计对3个试样进行硬度测定,取其平均值,见表2。表面硬度已超出12.9级最大值435HV0.3。2.4断口分析2.4.1氢含量测定在断口附近取样进行氢含量测定,结果显示氢质量分数为4.47×10-6。2.4.2产品的r角过渡宏观断口检测表明,裂纹位于螺杆与头部接合之间的R角过渡圆弧处,圆弧处外表面加工光滑,无明显刀痕、划伤等缺陷,且附近螺牙也无明显宏观塑性变形。2.4.3断口形貌观察断口表面干净,无明显腐蚀产物或氧化现象,断口存在明显的断裂源区、扩展区和终断区,断裂源区位于样品外表层。在高倍下观察,断裂源区及其余外缘均为沿晶断裂形貌,部分晶粒表面出现类似鸡爪纹或发纹特征,表现出氢致延迟断裂的特征,扩展区和终断区主要为沿晶和韧窝的混合断裂形貌。扫描电镜下观察断口形貌,断口沿晶断裂特征如图3所示,进一步放大观察,可见晶面上存在有冰糖状形貌,还有晶间二次裂纹和少量鸡爪形撕裂纹,如图4所示。在断裂中心区域,断口为沿晶韧窝混合断裂特征。3氢致延迟断裂螺钉断口平坦,宏观可见放射花样,螺栓断裂起始位置位于边缘部位,该区域断面为沿晶断裂形貌,晶面有鸡爪形撕裂纹,并伴有晶间二次裂纹,结合螺钉的处理过程以及失效过程,表现为氢致延迟断裂。氢致延迟断裂是紧固件产品失效机制中比较常见的一种,它是由氢渗入金属内部导致的损伤,无征兆,具有突发性。影响高强度螺钉发生氢脆断裂的主要因素:强度、氢含量、应力集中、应变速率,其中,强度和氢含量是最关键的2个因素。螺钉材料的强度越高,氢致延迟断裂敏感性越大。由于金属晶体结构中位错、晶界、沉淀相等氢积聚点多,在酸洗、电镀过程中螺栓吸氢的能力强,基体内应力较大,此外,氢致延迟断裂的临界应力极限随着材料强度的升高而急剧下降。钢制螺钉因强度过高导致氢致延迟断裂失效,有时与设计过分强调强度、硬度指标有关。有些材料设计12.9级,为避开第一类回火脆性,将硬度调整为39~40.5HRC,使回火温度在430~440℃或450℃以上,使得螺钉的氢致延迟断裂敏感性降低,有效地预防了氢致延迟断裂的发生。钢制螺钉发生氢致延迟断裂失效通常也与不合理的热处理工艺有关。由于钢的强度水平与钢的微观组织有着密切关系,在一定的强度水平下,钢的氢致延迟断裂敏感性总是与某种特定的组织相联系,在各种不同的显微组织中,对氢致延迟断裂敏感性从大到小的一般顺序为马氏体、上贝氏体(粗大贝氏体)、下贝氏体(细贝氏体)、索氏体、珠光体、奥氏体。淬火螺钉在250~400℃回火时,其氢致延迟断裂敏感性急剧恶化,这是由于低温回火脆性与氢脆现象叠加的结果。研究结果表明,回火脆性对氢致延迟脆性断裂起明显的促进作用,回火脆性程度较小时,回火脆性和氢致延迟断裂为线性相加;回火脆性程度较大时,回火脆性将大大加剧氢致延迟断裂程度,也就是说,回火脆性将降低材料发生氢致延迟断裂的临界氢含量值。如40Cr钢10.9级螺钉在氢质量分数仅为3×10-6条件下发生氢致延迟断裂,而根据实践经验,SCM435、SWRCH45K钢螺栓氢质量分数在大于15×10-6时,才有发生氢致延迟断裂的可能性。对失效螺钉分析认为:螺钉表面有不完整的磷化层,表明螺钉热处理前经过磷化处理,磷化液一般呈酸性,如工艺不当,可能会在磷化过程中渗入氢。送检螺钉氢质量分数检测结果为4.47×10-6,处于较高水平,尤其对于高强度的12.9级螺钉,已存在较大的氢致延迟断裂风险。在热处理时氢没有完全逸出,且发生氢致延迟断裂,其主要原因是由于螺钉存在中等程度的回火脆性,有马氏体位向的回火组织以及回火不充分。检测结果表明,断裂螺钉的表面硬度平均值为443.7HV0.3,表面硬度已超出12.9级最大435HV0.3值,转换成材料抗拉强度约为1445MPa,基体变脆。氢在材料中的分布不均匀,通常会在应力集中部位聚集导致局部浓度较高。螺钉头下圆角处及末牙螺纹底部满足了应力与氢富集的2个条件,在该处首先产生氢致微裂纹,微裂纹的尖端会进一步导致应力集中,从而使裂纹不断扩展,发生断裂。4原材料冲洗工艺失效螺钉的断裂性质为氢致延迟断裂。断裂螺钉的硬度值较高,超出了技术要求的上限,心部组织较差。螺钉的断裂主要与抗拉强度较高和相对较高的氢含量有关。建议采用ML35CrMo(SCM435)或42CrMoA