分享：12.9级内六角圆柱螺栓断裂失效分析

摘要:某 40CrMo 12. 9级高强度内六角圆柱螺栓在使用过程中发生断裂，使用光电直读光谱仪、光学显微镜和扫描电子显微镜对断裂螺栓的化学成分、显微组织以及断口形貌等进行了分结果表明:该螺栓断裂为因与酸性介质接触导致氢渗入而引起的氢脆断裂

关键词:螺栓;断裂;氢脆

中图分类号 :TG l1l. 91                            文献标志码 :B                           文章编号: 1 001-4012 ( 2013) 08-0560-0 3 

某公 司生产的规格为 M8 mm X 50 mm 12. 9级内六角圆柱螺栓， 材料为 42CrMo ，用于 固定某医疗器械 作台，安装扭矩为 50 N • m，螺 面发黑 涂油处理 安装时在螺纹上涂有罔定胶 水，安装 个月后发现!螺栓断裂 查明该螺栓 断裂原因，笔者对其取样进行了检验和分析。

1 理化检验 

1. 1 宏观分析 

图1所示为螺栓断裂残件宏观形貌，另一部分 断裂残件在现场未能找到，可见断口位于螺纹牙底， 断面有锈蚀，螺纹部位有白色胶水残留。

1. 2 断口分析 

图2所示为螺栓断口扫描电镜形貌，可见断口 元明显塑性变形，表面 有锈蚀和收敛于断口左上部 边缘的放射状条纹，根据条纹走向可判断起裂源位 于螺栓边缘 图3所示为裂纹源处断口敝观形貌， 为典型的冰糖状沿品断口，沿晶面上有明显的鸡爪 痕，并伴有品间二次裂纹.

• 图4所示为裂纹源外侧螺纹面微观形貌，可见 部分区域表面氧化层己经剥落，剥落处表面有针孔 状酸腐蚀痕迹 .图5所示为断口心部微观形貌，为 冰糖状沿晶断口，晶面上有 大量鸡爪痕 。图6所示 为断口终断区微观形貌，为韧窝和沿品 昆合断口。

1. 3 化学成分分析 

           采用直读光谱仪对螺栓进行化学成分分析，结 果如 表1所示。对照 GB /T3077 1999 (( 合金结构 铜川才 42CrMo 钢成分的技术要求，可见该断裂螺栓 的化学成分符合标准要求。

1. 4 氢含量测定 

对断裂螺栓残件进行氢含量测定，结果(质量分 数)如下:断裂部位 0. 000 97 %，螺栓其他部位 0.00049% 可见该螺栓材料中氢含量较高，且断 裂部位的氢含量高于螺栓其他部位，说明己有较多 的氢由螺栓断裂部位渗入螺栓内部。对于 12. 高强度螺栓，氢含量达到 0.0005% 以上就有可能引 发氢脆，而该断裂螺栓的氢含量已远高于氢脆敏 感值

1. 5 金相检验 

将断裂螺栓沿轴向剖开制成金相试样，用 4% (体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀 可见其螺纹底部无 折叠缺陷，表面碳势正常，如图 7所示.图8 所示为 螺栓心部显微组织，为回火索氏体和少量块状铁 素体。

2 综合分析 

以上分析结果表明，螺栓断口无明显宏观塑性 变形，断口微观形貌以冰糖状沿晶断裂为主，沿品面 上有大量鸡爪形撕裂纹，为典型的氢脆断口形貌;结 合氢含量测定结果可以判定，该螺栓断裂性质为 氢脆。

氢脆断裂  是紧固件产品比较常见的一种失 效形式，是零件在低于材料屈服强度的静应力作用 下因氢含量较高而导致的一种失效。它是由于氢渗 入金属内部导致的损伤，具有突发性，因此氢脆断裂 具有极大的破坏性。产生氢脆的因素主要与氢含量 高有关，但也与钢的碳含量、显微组织、强度以及零 件所受应力等因素有关。钢的强度越高，所受应力 越大，则氢脆敏感性就越高，特别是 12.9 级高强度 螺栓，其氢脆敏感性远高于 10. 9级螺栓。

断口附近螺纹面局部氧化层剥落处可见针孔状 腐蚀形貌，说明螺栓与酸性介质接触，表面己发生了 腐蚀 该螺栓的生产 工艺流程为:盘圆退火+酸洗 →拉丝→墩制成型→碎火→回火→发黑处理→检验 入库 其中的酸洗和发黑工 艺中材料均会与酸性介 质接触，若酸洗时间、温度、酸的浓度等控制不巧就 会导致氢渗入其中，加上 没有后续的 去氢处理，就极 易导致氢脆的发生。

3 结论及建议 

(1)螺栓断裂是由于与酸性介质接触导致氢渗 入而引起的氢脆断裂。 

(2) 建议厂商及使用方追溯螺栓 生产 和使用流 程，排查可能接触酸性介质的环节;若设计允许，建 议使用强度等级较低的螺栓，降低螺栓的氢脆敏 感性

参考文献: 

[ 1]  周崎，陈明，曹标.弹性垫圈断裂原因分析[]].物理测 试， 2006 25(2) :5 2-5 4. 

[2 ]  王运知，王育妮.航 发动机用轻 弹簧垫圈断裂故 障分析及改进方案[J].现代机械， 2010(4) :48- 50. 

<文章来源> 材料与测试网> 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 49卷 > 8期 (pp:560-562)>