紧固件断裂宏观金相分析

10.9级六角头螺栓，规格为M16×1.5×60，表面电镀锌处理，呈黄色。该螺栓为汽车方向机支架螺栓，在安装运行一段时间后断裂。

螺栓断裂件自螺栓头下圆角处断裂，如图12-59所示。

螺栓断口处未见明显塑性变形和机械擦伤，但支撑面有摩擦痕迹；宏观观察断口表面，其断口结构较粗糙呈颗粒状，色泽偏亮灰色，局部区域已被锈蚀，如图12-60所示。

图12-59 断裂件宏观形貌               图12 -60断口宏观形貌

（1）微观分析

螺栓断口用超声波清洗后扫描电镜观察，断口低倍形貌见图12-61。

断口裂纹的起源处为沿晶断裂，断口呈冰糖状断口，断口晶面平坦，没有明显的附着物，伴有白亮的不规则细亮条纹和二次裂纹，局部可见鸡爪痕，如图12-62所示；断口的扩展区为准解理形貌伴有少量韧窝，如图12-63所示。

图12-61  断口低倍形貌                 图12-62  裂纹起源处微观形貌

                   图12-63   扩展区断口微观形貌。

（2）化学成分分析

采用光谱仪对断裂螺栓进行成分检测，检测结果符合《GB/T3077- 1999》标准对20MnTiB钢成分要求，

（3）硬度检测

将螺栓断口附近截下进行硬度梯度试验。硬度梯度试验是横向从螺栓表面开始沿轴向打维氏硬度，表面硬度450HV，沿横截面方向向内的硬度逐渐降低，心部硬度为380HV。

（4）金相检查

螺栓断口附近取样制成金相试样，金相组织为回火索氏体组织，如图12-64所示；螺栓表面有0.18mm左右的渗碳层，如图12-65所示。

图12-64 断裂螺栓金相组织                图12-65 螺纹表面渗碳组织

（5）氢含量的测定

在螺栓断口附近和螺栓心部取样进行氢含量测定，测氢仪测定氢含量结果：

断口附近氢含量14.1 ppm，心部氢含量5.2 ppm。

故障螺栓的化学成分满足《GB/T3077-1999》标准的要求；硬度梯度试验表明螺栓表面硬度高，为450HV，心部硬度为380HV，说明螺栓存在表层硬化现象，金相组织检查，螺栓表面表面有渗碳层，所以，螺栓表面硬度比心部高的多。

氢含量检测，螺栓断口附近表面氢含量相当高。

该螺栓为10.9级高强度螺栓，通常高强度的材料比强度等级低的材料氢脆敏感性大，裂纹扩展速率也大。而螺栓表面由于渗碳层的存在，使得螺栓表面硬度高塑性差。在断裂件中测得的氢含量高达14.1ppm，为氢脆断裂的发生提供了条件。

螺栓断口没有明显的塑性变形，微观形貌中的冰糖块晶粒形状，以及晶面上的鸡爪痕等是氢脆的典型形貌。

该螺栓在制造过程中经过了酸洗和电镀锌，螺栓在这两道工艺过程中造成较多的氢渗入，在后期处理中，渗入螺栓的氢没有完全去除，而且氢滞留在螺栓内的氢含量较高。在应力的作用下较高氢含量的氢容易向应力集中的部位聚集，应力集中处产生微裂纹，在应力和氢的共同作用下裂纹扩展，螺栓开裂最后断裂失效。

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脆性断裂。

（2）螺栓热处理渗碳使表面硬度增高，也使螺栓脆性增加。

（3）螺栓在酸洗和电镀锌时有氢渗入，渗氢后没有及时除氢，造成螺栓存在氢脆危险性。

（4） 螺栓在热处理时不要人为渗碳，一定要按工艺进行热处理防止渗碳和脱碳。

（5）高强度螺栓最好不要进行酸洗和电镀锌，可采用吹砂、清洗后热浸锌，防止氢渗入。

（6）高强度螺栓一定要防止酸洗；如果要镀锌，最好采用吹砂或其他清洗方法，电镀锌后一定要及时除氢。