分享：４０Cr钢紧固螺栓断裂原因分析

摘 要:某石化厂管道连接法兰用４０Cr钢紧固螺栓在使用不到１a(年)后发生径向断裂.通过宏观分析、化学成分分析、光学显微镜和扫描电镜观察、硬度测试等方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:螺栓在较高应力水平下服役,在应力和氢的共同作用下发生了氢脆断裂;导致其氢脆断裂的主要原因是螺栓在酸洗磷皂化和磷化过程中引入了较多的氢.

关键词:４０Cr钢;螺栓;断裂;氢脆

中图分类号:TH１３１．３;TG１１５    文献标志码:B     文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１６)１２Ｇ０９０３Ｇ０３

某石化厂用于管道连接处法兰的紧固螺栓在使 用不到１a(年)后发生径向断裂,该失效螺栓长期暴 露于北方少雨水的干燥环境中.断裂螺栓材料为 ４０Cr钢,规格为 M１２ mm×１５０ mm,强度等级为 １０．９级.螺 栓 加 工 过 程 为:球 化 退 火 → 酸 洗 磷 皂 化→改拔→下料→丝坯→调质处理→磷化→包装入 库.笔者采用多种理化检验方法对该紧固螺栓断裂 原因进行了分析,并提出了改进建议,以避免类似失 效的再发生.

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

失效紧固螺栓示意图如图１(a)所示,断裂位于 图１中箭头所指处,可见正好处于螺纹和螺帽咬合的 最 后 一 个 齿 的 根 部. 螺 栓 断 口 宏 观 形 貌 如 图１(b)所示,可见断口垂直于螺栓轴线,断面后期 稍有向下倾斜,无明显的宏观塑性变形痕迹.断口 表面大部分区域呈现亮灰色,少部分区域有沉积的 棕褐色氧化物.宏观分析可见,裂纹起源于螺栓外 表面.在整个断裂面上,裂纹由源区向内部呈放射 状扩展,使得断口分为明显的３个区域:裂纹源区、 扩展区和最终断裂区. 

１．２ 化学成分分析 

对断 裂 螺 栓 取 样,使 用 美 国 LeemanProdigy XP全谱直读ICP发射光谱仪和氮氢氧分析仪进行 化学成分分析.由表１可见,螺栓各元素含量均符 合 GB/T３００７－１９９９«合金结构钢»对４０Cr钢成分 的技术要求. 

１．３ 金相检验 

对 断 裂 螺 栓 取 样 进 行 金 相 检 验. 使 用 OLYMPUSGX７１ 金相显微镜先对抛光态试样进 行观察,并依据 GB/T１０５６１－２００５对非金属夹杂 物含量进行评定,结果如下:A０,B０,C０,D１．０,DS０; 可见螺栓中夹杂物含量较低. 试样用４％硝酸酒精溶液(体积分数)侵蚀后再 在金相显微镜下观察,断裂螺栓显微组织为回火索 氏体,见图２.未发现其他异常组织. 

１．４ 硬度测试 

依据 GB/T３０９８．１－２０１０«紧固件机械性能 螺 栓、螺钉和螺柱»对硬度的要求,在螺栓距离螺纹末 端一倍直径处取一截面,磨平并用酒精去除表面油 脂后,在 １/２ 半 径 处 测 定 维 氏 硬 度.试 验 载 荷 为９８N(１０kgf),试验方法依据 GB/T４３４０．１－２００９ «金属材料 维氏硬度试 验 第 １ 部 分:试 验 方 法». 试验 结 果 见 表 ２,可 见 断 裂 螺 栓 硬 度 满 足 GB/T ３０９８．１－２０１０技术要求. 

１．５ 扫描电镜断口分析 

将螺栓断口试样用丙酮进行超声波清洗,去除 表面 污 渍,并 用 毛 刷 轻 刷 断 口,然 后 放 入 FEI QUANTA６００扫描电 镜 (SEM)内 进 行 断 口 观 察. 裂纹源区断口微观形貌见图３,主要表现为冰糖状 沿晶断裂特征,并且断口表面有一定程度的氧化. 扩展区断口微观形貌见图４(a),主要呈复合型断裂 特征,断口形貌为沿晶＋韧窝,且在沿晶面上存在大 量的鸡爪形撕裂棱,见图４(b).最终断裂区为剪切 唇区,主要断口特征表现为剪切韧窝,见图５.整个 断口未发现明显的冶金缺陷.

２ 分析与讨论 

由以上理化检验结果可知:失效螺栓的化学成 分符合标准技术要求;平均硬度为３５５HV,也满足 标准技术要求;失效螺栓的显微组织为均匀的回火 索氏体,是正常的调质处理组织,未发现其他非调质 组织;在整个断口附近也未发现明显的冶金缺陷. 

宏观分析发现,螺栓断裂位于螺纹与螺帽咬合 的最后一个齿的根部,该位置是整个螺栓的应力集 中点.断口表面大部分区域呈现亮灰色,少部分区 域有沉积的棕褐色氧化物.整个断裂面上,裂纹由 源区螺栓表面向内部呈放射状扩展,分为明显的裂 纹源区、扩展区和最终断裂区.微观分析发现,断口 源区表现为沿晶断裂,扩展区为沿晶＋韧窝的混合型断裂,沿晶面上伴有鸡爪痕,这些都是氢脆断口的 典型特征[１Ｇ２].所谓氢脆,是指氢原子侵入基体材料 中而引起的材料延迟断裂失效.对断裂螺栓试样的 氢质量分数进行测定,结果为０．０００１５％.一般强 度螺栓的氢质量分数大于０．０００５％时即会产生氢 致裂纹;但对于高强度螺栓,即使氢质量分数小于 ０．０００１％,也有可能发生氢脆[３Ｇ４].

氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂.其主 要原理是将钢铁基体中一些易于渗入氢原子的位置 形容为“陷阱”,这些位置包括钢铁结构中的晶界、位 错中心、非金属夹杂物及碳化物等与钢铁原子之间 形 成的固Ｇ固界面,以及应力中心等.当活动氢原子进入这些“陷阱”,即被束缚而成为非活跃氢原子. 氢原子在“陷阱”位置的聚集将使材料的断裂应力下 降,应力集中部位将形成微裂纹,微裂纹逐渐扩展直 至发生断裂,此即为氢脆引起的延迟断裂现象. 

对于螺栓构件,其氢的来源主要分为３个:一个 是由于螺栓构件长期暴露于雨水、潮湿等环境中而 引入的氢;一个是酸洗、电镀处理过程中侵入的氢; 还有一个是熔炼过程中未完全去除的残余氢.通过 分析发现,断裂螺栓加工过程中的酸洗磷皂化和磷 化过程都会引入较多的氢,特别是磷化工艺中,在磷 酸的作用下,铁和 Fe３C形成无数原电池,在阳极区 工件表面形成磷化膜,在阴极区则放出大量的氢. 因此,加工过程中的吸氢应该为断裂螺栓主要的氢 来源.失效螺栓服役于北方雨水少、气候干燥的环 境下,因此螺栓从环境中引入的氢较少.螺栓原材 料熔炼过程中的残余氢会对氢脆断裂有一定的促进 作用. 

螺栓在使用过程中始终在较高的应力下服役, 螺栓中的氢在应力的作用下会向应力集中的部位聚 集,当应力集中处的氢含量达到临界值时,便会导致 螺栓在应力和氢的共同作用下发生氢脆断裂.

３ 结论及建议 

该４０Cr钢紧固螺栓断裂为氢致延迟型脆性断 裂,是在应力和氢共同作用下导致的断裂. 预防合金钢螺栓氢脆断裂需要依据氢脆断裂的 机理综合考虑.根据所需抗拉强度的不同,选择适 当的材料,选用合理的加工工艺(包括热处理工艺、 电镀工艺和酸洗工艺),采取严格的预防措施.

参考文献: 

[１] 吴连生,刘正义．机械装备失效分析图谱[M]．广州:广 东科技出版社,１９９０:２７３Ｇ２７５． 

[２] 王大伦,赵德寅,郑伯芳．轴及紧固件的失效分析[M]． 北京:机械工业出版社,１９８８:１８３Ｇ１８９． 

[３] 胡晓辉．３Cr１３钢弹簧片断裂分析[J]．理化检验Ｇ物理 分册,２００５,４１(１０):５１５Ｇ５１７． 

[４] 张先鸣．高强度螺栓氢脆的发生与预防[J]．摩托车技 术,２００３(２):１９Ｇ２０．

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 52卷 > 12期 (pp:903-905)>