高强度螺栓裂纹失效分析

12.9级M8内六角圆柱螺栓，材料为40Cr，螺栓表面发黑涂油处理。螺栓用于固定工作台，安装扭矩为50N•m，安装时在螺纹上涂有固定胶水，安装5个月后断裂。

螺栓安装现场照片，见图12.1；螺栓断裂位于螺纹处的螺纹牙底，断面锈蚀，螺纹部位有白色胶水残留,螺栓断裂残件见图12-2.

图12-1    螺栓安装现场照片           图12-2   断裂螺栓宏观形貌

（1）对断裂螺栓断口扫描电镜分析

断口无明显宏观塑性变形，表面有锈蚀和放射性条纹，根据放射条纹走向可判断起裂源位于螺栓边缘，断面扫描电镜的宏观形貌见图12-3；断口微观形貌见图12-4。  

裂纹源处断口微观上为典型的冰糖状沿晶断口，晶面上有明显的鸡爪痕，存在晶间二次裂纹。

图12-5所示为裂纹源外侧螺纹面微观形貌，可见表面部分区域表面氧化处理层已经剥落，剥落处表面有针孔状酸腐蚀。

图12-6所示为断面心部微观形貌，为冰糖状沿晶断口，晶面上有大量鸡爪痕痕迹。

图12-7所示为断口瞬断区微观形貌，为韧窝和沿晶混合断口。

图12-3   断面宏观形貌，               图12-4 裂纹源处断口微观形貌

图12-5 裂纹源外侧螺纹面微观形貌           图12-6   断面心部微观形貌

图12-7  瞬断区微观形貌

（2） 螺栓材质成分分析

   采用直读光谱法对进行化学成分分析，该螺栓材料为40Cr钢

（3）氢含量测定

对断裂残件进行氢含量测定，螺栓的氢含量较高，边缘高于心部。心部氢含量：6.6 ppm；边缘氢含量：9.5ppm。

（4）金相分析

将断裂螺栓沿轴向剖开制成金相试样，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，其螺纹底部无折叠缺陷，牙顶有轻微折叠，表面碳势正常，如图12-8所示。

图12-9 所示为螺栓心部组织，为回火索氏体和少量铁素体。

图12-8  螺纹处表层金相组织                图12-9 螺栓心部金相组织

螺栓断口无宏观塑性变形，断口微观形貌以冰糖状沿晶断裂为主，晶面上有大量鸡爪痕撕裂纹，为典型的氢脆断口形貌；结合氢含量检测可判定该螺栓断裂性质为氢致延迟断裂。

氢脆断裂是紧固件产品失效比较常见的形式，零件在低于材料屈服极限的静应力作用下导致的突发断裂，具有极大的破坏性，它是由于氢渗入金属内部导致的损伤。

对断裂残件进行氢含量测定，该螺栓材质中氢含量较高，且边缘高于心部，说明已有大量氢渗入螺栓内部。

对于12.9级高强度螺栓，氢含量达到6ppm以上就有可能引发氢脆，而该螺栓氢含量已远高于氢脆敏感值。

影响氢脆的因素主要有：钢的含碳量、显微组织、钢的强度及所受应力等。钢的强度越大，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。

断口附近螺纹面上局部氧化层剥落处可见针孔状形貌，说明螺栓曾被酸性介质腐蚀，导致氢渗入其中，这是导致螺栓氢脆断裂的根本原因。此外，通过分析还发现螺栓氢浓度较高，说明螺栓经过长时间渗氢和氢扩散过程。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

(1) 螺栓的断裂性质是氢致延迟断裂。

(2) 建议厂商及使用方追溯螺栓生产、使用流程，排查可能接触酸性介质的环节。

(3)  建议在生产和使用过程中，高强度结构钢螺栓避免接触酸性介质。

（4） 如果使用环境可能接触酸性介质，建议选用不锈钢螺栓。