螺栓断口综合失效分析

内六角头螺栓，规格M20×95，强度12.9级，材料ML40Cr钢，表面发黑处理。该批螺栓安装扭矩为490N•m，安装24h后断裂，期间未接触腐蚀性介质。

取3件螺栓断裂件进行分析，三件断裂件均于头下断裂，断面都已锈蚀严重，见图12-16。

图12-16  断裂螺栓断口宏观形貌

（1）断裂面扫描电镜分析

断裂位于头下圆角处，未见宏观塑性变形，断面有放射性条纹，分别收敛于左右两侧边缘位置。

图12-17为断面低倍形貌，可见发散条纹收敛于边缘处，判断为裂纹形核源区

图12-18、图12-19所示为裂纹源区微观形貌，可见冰糖状沿晶开裂，存在晶间二次裂纹，晶面有少量鸡爪形撕裂纹

图12-20所示断面中心区域电镜照片，表现为准解理形貌。

对断面附近圆角处进行扫描电镜能谱分析，结果显示：

图12-21为断面附近圆角处的扫描电镜照片：图12-22对断面附近圆角处的能谱分析结果，圆角处存在斑驳的磷化层

图12-17  断面宏观形貌                     图12-18 断裂源区微观形貌

图12-19  断裂源区微观形貌                图12-20 断面中心区域微观形貌

图12-21 断裂源区微观形貌  

图12-22 螺栓扫描电镜能谱分析

（2）螺栓材质化学分析

采用直读光谱法对螺栓进行成分分析，分析结果符合ML40Cr钢成分要求。

（3）氢含量测定

在断面附近取样进行氢含量检测，检测结果：氢含量为8.47ppm。

（4）金相分析

将螺栓制成金相试样，用4%硝酸酒精溶液腐蚀。

螺栓表面金相组织，表面及断面碳势均正常无脱碳（其中图上方的白点为镶嵌缝异物），见图12-23所示，。

图12-24所示为螺栓心部金相组织，为回火屈氏体。

图12-23  螺栓表面金相组织                图12-24  螺栓心部金相组织

（5）硬度检测

对螺栓进行表面硬度梯度及心部硬度检测，检测结果，螺栓硬度符合标准《GB/T 3098.1-2010》的相关规定。

该批螺栓各项力学性能符合 《GB/T 3098.1-2010》要求，螺栓表面有明显的脱碳现象，其显微组织符合标准要求。

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，晶面有鸡爪痕撕裂纹，并伴有晶间二次裂纹，表现为氢致延迟断裂特征；螺栓氢含量检测结果为8.47ppm，对于12.9级的高强度螺栓，已存在很大的氢脆风险。

断裂面扫描电镜分析和螺栓氢含量检测结果，说明螺栓断裂氢致延迟断裂。

氢致延迟断裂是紧固件产品失效机理中比较常见的一种，它是由于氢渗入金属内部导致的损伤，无征兆，具有突发性。而且，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。螺栓头下圆角处应力集中，会导致氢在此处富集，在装配应力作用下，螺栓头下圆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，发生氢致延迟断裂。

螺栓氢含量检测结果，说明螺栓加工过程有氢渗入，或渗氢后没有除氢，造成螺栓氢含量较高，在安装应力作用下，发生氢致延迟断裂。

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） 螺栓加工过程有氢渗入，渗氢后没有及时除氢，渗氢螺栓在应力作用下发生氢致延迟断裂。

（3） 螺栓加工过程要避免氢渗入，渗氢后要及时除氢处理。