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12.9级六角头螺栓断裂失效分析

1. 概述

委托方提供两枚(mei)断(duan)(duan)裂(lie)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)残(can)件(jian)及两件(jian)同(tong)(tong)批次完(wan)好螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan),两残(can)件(jian)为同(tong)(tong)一断(duan)(duan)裂(lie)件(jian)的两部(bu)分,断(duan)(duan)口吻合。该螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)规格(ge)为M24×2×140,性(xing)(xing)能等级12.9级,材质为35CrMo,样品表面(mian)发黑处理(li)。该螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)安装在车辆主减速器轴承(cheng)安装压盖上,安装扭矩900N•m,车辆运行500小时后发现螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)断(duan)(duan)裂(lie)。图1所示为送检的失(shi)效螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)与完(wan)好螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)宏(hong)观形貌,可见(jian)断(duan)(duan)裂(lie)位(wei)置位(wei)于(yu)螺(luo)纹部(bu)位(wei),断(duan)(duan)面(mian)垂直于(yu)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)轴向,断(duan)(duan)面(mian)附近无明显宏(hong)观塑(su)性(xing)(xing)变(bian)形。

送检螺栓宏观形貌

图(tu)1 送检螺栓宏观形貌

图2所示(shi)为经去油污处理后(hou)的(de)(de)(de)断(duan)(duan)面宏观照(zhao)片,可(ke)见两断(duan)(duan)面上部(bu)区(qu)域(yu)均有一扇形(xing)(xing)腐(fu)蚀(shi)区(qu),扇形(xing)(xing)腐(fu)蚀(shi)区(qu)的(de)(de)(de)圆(yuan)心(xin)位(wei)于(yu)(yu)断(duan)(duan)口(kou)边(bian)缘的(de)(de)(de)螺纹(wen)(wen)处,该处锈蚀(shi)特别严重,圆(yuan)心(xin)外围(wei)则腐(fu)蚀(shi)相对较轻,呈灰褐(he)色,扇形(xing)(xing)区(qu)域(yu)之(zhi)外为新(xin)鲜断(duan)(duan)口(kou)。从(cong)断(duan)(duan)面条纹(wen)(wen)走向可(ke)知断(duan)(duan)裂(lie)源(yuan)区(qu)即为扇形(xing)(xing)腐(fu)蚀(shi)区(qu)的(de)(de)(de)圆(yuan)心(xin)位(wei)置(zhi),该部(bu)位(wei)正好位(wei)于(yu)(yu)螺纹(wen)(wen)牙底。值得注意的(de)(de)(de)是,经比对发现,位(wei)于(yu)(yu)两断(duan)(duan)面上的(de)(de)(de)扇形(xing)(xing)腐(fu)蚀(shi)区(qu)的(de)(de)(de)外形(xing)(xing)完全吻合,这说明腐(fu)蚀(shi)发生在断(duan)(duan)口(kou)分(fen)离之(zhi)前,所以可(ke)排(pai)除由于(yu)(yu)断(duan)(duan)口(kou)后(hou)期保存不当(dang)造(zao)成(cheng)腐(fu)蚀(shi)的(de)(de)(de)可(ke)能。

断面宏观形貌

图2 断面宏观(guan)形貌

2. 扫(sao)描电镜(jing)断口(kou)分析(xi)

图3所(suo)示(shi)为(wei)断面扫描电镜宏观形(xing)貌,图中所(suo)示(shi)A区为(wei)断裂(lie)源(yuan)(yuan)区,即为(wei)图2中所(suo)示(shi)的扇形(xing)腐蚀(shi)区的圆(yuan)心位置(zhi),另外可见裂(lie)纹源(yuan)(yuan)外侧的螺纹面上也(ye)有腐蚀(shi)造成的麻坑。

 断裂源区宏观形貌

图3 断裂源区宏观形貌

图4所示为裂纹源区外侧螺纹面上的形(xing)貌(mao),可见由腐蚀(shi)造(zao)成的麻(ma)坑

螺纹面上的腐蚀麻坑

图(tu)5所示为裂纹源区能谱分析结果,可见(jian)断面腐蚀产(chan)物(wu)中含有(you)Cl、S等元素。

断裂源区能谱分析

图6、图7所示为经清洗后的裂(lie)纹源区微(wei)观(guan)照片,可见冰糖(tang)状沿晶形貌,并伴有(you)晶界二次裂(lie)纹,图7所示还可见晶面上有(you)少量鸡(ji)爪痕(hen)。

断裂源区微观形貌

图6 断裂源区微观形貌

图7 断裂源区微观形貌

图8所示为断面快(kuai)速扩(kuo)展区微(wei)观(guan)形貌(mao),可(ke)见准解理(li)形貌(mao)。

断面快速扩展区微观形貌

图8 断面快(kuai)速扩展区(qu)微观形(xing)貌

图9所示为(wei)试样(yang)断面(mian)终断区(qu)微观形貌,可见韧窝形貌。

图9 断面终断区微观形(xing)貌(mao)

3. 金相检测

图10所示为断裂螺栓芯部金相组织,为回火索氏体组织。

试样芯部金相组织

图10 试样芯部金相组(zu)织

图11所示断裂螺栓纵(zong)向剖面非金属夹(jia)杂物评定(ding),根(gen)据(ju)“GB-T 10561-2005 钢中非金属夹(jia)杂物含量的测定(ding)标准”可评定(ding)为D类(lei)(球状氧化物夹(jia)杂,细系)1.5级(ji)。

断裂螺栓非金属夹杂物评定

图11 断裂(lie)螺栓非金(jin)属夹杂物(wu)评定(ding)

图12所示为断(duan)裂(lie)螺(luo)栓(shuan)完好螺(luo)纹处金相组织(zhi),可(ke)见(jian)螺(luo)纹牙侧碳势正常,螺(luo)纹牙顶存(cun)在折叠(die),但折叠(die)深度未(wei)超过牙高的1/4,根据“GB/T 5779.1-2000”规(gui)定,此类折叠(die)允许存(cun)在,且牙顶折叠(die)不(bu)是(shi)造成螺(luo)栓(shuan)断(duan)裂(lie)的原(yuan)因。

图(tu)12 断裂(lie)螺栓(shuan)螺纹金相

4. 硬度检测

对断裂螺栓进行硬度试验,结果如表1所示,螺栓芯部硬度已接近“GB/T 3098.1-2010紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱”标准中对12.9级螺栓硬度要求的上限。

表1 断裂螺(luo)栓硬度检(jian)测结果

断裂螺栓硬度检测结果

5. 螺栓材质分析

表(biao)2 断裂螺栓化学成分

采用直读光谱法对断裂螺(luo)栓进行化学成(cheng)分(fen)分(fen)析,结果如表2所示,化学成(cheng)分(fen)符合“GB/T3077-1999”标准中(zhong)对35CrMo钢的要求,如表2所示。

断裂螺栓化学成分

6. 螺栓氢含量测定

对断裂(lie)(lie)件及(ji)完好件分(fen)别进行(xing)氢(qing)含(han)量(liang)检测,结(jie)果(guo)如表(biao)3所示。完好螺栓(shuan)氢(qing)含(han)量(liang)较低,断裂(lie)(lie)螺栓(shuan)芯(xin)部氢(qing)含(han)量(liang)也未见明显(xian)异常,唯(wei)独裂(lie)(lie)纹源附(fu)近氢(qing)含(han)量(liang)较高,这说明螺栓(shuan)的(de)制(zhi)造工艺(yi)未导致明显(xian)的(de)渗氢(qing),裂(lie)(lie)纹源处的(de)氢(qing)应来自外来介质(zhi)腐蚀。

表(biao)3 螺栓(shuan)氢含量检(jian)测

螺栓氢含量检测

7.综合分析

断(duan)(duan)(duan)裂(lie)(lie)螺(luo)栓(shuan)(shuan)断(duan)(duan)(duan)口(kou)附近未见明显宏(hong)观塑(su)性变形,断(duan)(duan)(duan)面大面积为(wei)沿晶、准解理形貌,为(wei)脆(cui)性断(duan)(duan)(duan)裂(lie)(lie);裂(lie)(lie)纹源位(wei)(wei)于螺(luo)纹牙底,该处(chu)腐(fu)(fu)蚀(shi)严重,能谱分析显示腐(fu)(fu)蚀(shi)产物(wu)中(zhong)含有Cl、S等元素;氢(qing)(qing)含量(liang)(liang)检(jian)测结果表明,裂(lie)(lie)纹源处(chu)氢(qing)(qing)含量(liang)(liang)较(jiao)(jiao)高(gao),其余部位(wei)(wei)较(jiao)(jiao)低(di),完好螺(luo)栓(shuan)(shuan)也未见渗(shen)氢(qing)(qing)。断(duan)(duan)(duan)面微(wei)观形貌显示,裂(lie)(lie)纹源处(chu)为(wei)沿晶断(duan)(duan)(duan)口(kou),并(bing)伴有晶间二次裂(lie)(lie)纹及晶面鸡爪痕,呈氢(qing)(qing)脆(cui)断(duan)(duan)(duan)裂(lie)(lie)特征。综上分析可(ke)知,螺(luo)栓(shuan)(shuan)是受(shou)到外来物(wu)质(zhi)腐(fu)(fu)蚀(shi)后,导(dao)致局部渗(shen)氢(qing)(qing)并(bing)引起氢(qing)(qing)脆(cui)断(duan)(duan)(duan)裂(lie)(lie)。

8. 结论。

一、螺栓的断裂性(xing)质(zhi)为(wei)氢脆;

二、引起螺栓(shuan)氢脆断裂的原(yuan)因是螺栓(shuan)受到外来(lai)介质腐蚀而导致局部渗氢;

三、螺(luo)栓化(hua)学成分、硬度均(jun)符合标(biao)准要求,金相(xiang)组织正常。

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