李 珍，周海生，郭垚峰

鸿富锦精密电子(郑州)有限公司，河南 郑州 450000

12.9级高强度螺栓断裂失效分析

李 珍，周海生，郭垚峰

鸿富锦精密电子(郑州)有限公司，河南 郑州 450000

12.9级高强度车用减速器35CrMo钢螺栓发生早期断裂失效．通过对其宏观观察、微观断口分析、金相组织、硬度测试及成分分析等，对螺栓断裂原因进行分析，找出其失效之根本原因，并提出解决方案．研究结果表明:螺栓的失效原因是在其使用前期就存在微裂纹，造成应力集中，在一定应力作用下使微裂纹继续开裂长大，最终断裂；螺栓断口具有氢脆断裂的典型特征，说明螺栓发生了氢脆延迟断裂．

高强度螺栓；微裂纹；氢脆；延迟断裂

螺栓也叫螺钉，是工业生产制造中和日常生活中必不可少的零配件，所以螺栓也被称为工业之米，螺栓的应用较为广泛，例如电子产品、机械产品、水利工程，甚至化学实验上也用到螺栓．大多数交通工具，如飞机、电车、汽车等为大小螺栓并用，螺栓在工业上肩负重要任务，只要地球上存在着工业，则螺栓之功能永远重要，故螺栓失效问题也会带来巨大的经济损失及安全隐患．

某厂生产的减速器在整车行驶10 km后发生故障，开箱确认为减速器螺栓发生早期失效断裂导致．失效螺栓为12.9级高强度螺栓，材质为35CrMo，硬度(HRC)为39～44，热处理工艺为调质处理，表面处理工艺为磷化发黑处理．为找到螺丝断裂原因并规避后期风险，对该批次失效螺栓进行一系列理化检测，通过对其宏观观察、微观断口分析、金相组织、硬度测试及成分分析等，最终确定了螺栓的断裂性质，找出了该螺栓失效之根本原因．

1 试验部分

选取断口完整的失效螺栓一套，用风枪把断口表面脏污吹干净．使用VHX-600E型3D光学显微镜观察其宏观断口形貌，并对其进行初步判断；使用THERMO-Nicolet 6700型号的傅利叶变换红外光谱仪，进行表面有机物成分分析；使用HITACHI-SU1510型扫描电子显微镜对螺栓断口进行微观形貌分析，判断断裂类型；利用ZEISS-Imager.A2m型金相显微镜，对螺栓靠近断裂位置的基材进行夹杂物及金相组织分析；利用德国SPECTRO-MAXx型号的火花原子放射光谱仪，对基材的化学成分进行测定；使用TJ6H-6M型快速测氢仪，测定螺丝的氢含量；用日本MITUTOYO维氏硬度计，测量断口区域的显微硬度．

2 分析与讨论

2.1 宏观形貌

图1为断裂螺栓宏观形貌．从图1(a)可见，螺栓断裂位置位于螺栓头与螺栓杆交界的台阶处，螺栓表面磷化层覆盖完整，表面未见明显的损伤等外部缺陷．取螺杆断面于光学显微镜下观察发现(图1(b))，螺栓断口比较平齐，无明显塑性变形特征，断面带有放射性图样，裂纹源位于螺栓边缘处且裂纹源与扩展区均有褐色的异物存在．这是由于在减速器上装配前，螺栓表面会涂一层紧固胶，来达到螺栓与螺纹孔贴合紧密的效果．

图1 断裂螺栓宏观形貌(a)断裂螺栓照片，6X；(b) 断口宏观形貌，20XFig.1 Appearance observation of failure bolt(a)picture of failure bolt，6X；(b) appearance observation of fracture surface，20X

取螺栓断口表面异物与螺栓表面紧固胶进行红外光谱(FT-IR)分析(图2)发现，螺栓断口表面的异物与螺栓表面的紧固胶成分一致，均为环氧树脂，说明微裂纹在紧固胶固化前已萌生，致使紧固胶沿微裂纹进入螺栓断口．

图2 螺栓断口表面异物有机成分分析Fig.2 Organic composition analysis of bolt fracture surface

2.2 断口微观分析

对螺栓断口SEM微观形貌(图3)观察发现，其裂纹源区无明显的冶金及加工缺陷．从图3(a)可见，裂纹源为沿晶断裂，其微观形貌呈冰糖状，并且存在一些二次裂纹，晶面上可观察到少量微孔及大量鸡爪纹，为典型的氢脆断裂特征；从图3(b)可见，裂纹扩展区微观形貌为韧窝及准解理形貌；从图3(c)可见，断口瞬断区可观察到许多细小的剪切韧窝，为韧性断裂．对断口的成分进行能谱分析，表明断口表面无明显夹杂物、氧化等异常．

2.3 金相组织分析

在螺栓断口附近选取金相试样，经镶样、研磨及抛光后，用金相显微镜进行非金属夹杂物含量评定．结果发现，基体夹杂物为D类，级别为1.0级．用体积分数为4%的硝酸酒精浸蚀试样后观察基材的金相组织(图4)发现，螺栓基体组织为正常的回火索氏体，组织较均匀、无明显组织偏析．

图3 螺栓断口微观形貌(a) 裂纹源区；(b) 扩展区；(c) 瞬断区Fig.3 Microscopic characteristics of failure bolt(a) crack source area；(b) propagation area；(c) instantaneous fracture area

图4 断裂螺栓金相组织 Fig.4 Metallographic microstructure of failure blot

断裂螺栓的金相组织、化学成分及材质显微硬度，均符合技术规格要求，说明螺栓的断裂与材质本身及热处理工艺无关．断裂螺栓断口比较平齐，无明显塑性变形特征，断面带有放射性图样，断口裂纹源微观形貌呈冰糖状且存在二次裂纹，晶面上可观察到少量微孔与大量鸡爪纹，具有氢脆断裂的典型特征．

金属材料因受到氢气的作用而引起的脆性断裂，统称为氢脆或氢致开裂．氢脆的重要条件是材料中存在一定量的氢，其特征之一就是断裂具有延迟性．在低于屈服应力的低应力作用下，经过一段孕育期或潜伏期后，金属材料内部逐渐形成氢裂纹，最后突然发生脆性断裂[1]．氢脆的产生对螺栓来说是致命的缺陷．

该螺栓在生产过程中的酸洗及磷化会引入一定量的氢原子，螺栓工作中主要受拉应力及震动应力，且螺栓的断裂表现为延迟特征．由此可知，在应力和氢原子的共同作用下首先形成微裂纹，进而氢原子向螺栓内的微裂纹尖端移动及富集，氢原子使裂纹开始扩展的临界应力强度因子下降，促进了裂纹的扩展，最终使微裂纹开裂长大[2]．根据失效螺栓的特征判定，其断裂性质为氢脆延迟断裂，这是因为氢原子会导致金属韧性降低.根据氢的来源，氢脆可分为内部氢脆和环境氢脆，前者指在钢生产过程中带入的氢，后者指在钢的使用过程中与含氢介质相互作用引入的氢[3]．该失效螺栓存在酸洗和磷化工序，酸洗液和磷化液均呈酸性，螺栓会从中吸收一定量的氢原子，使螺栓的含氢浓度变高，这种因素会加剧螺栓开裂的倾向．氢含量为百万分之几就可能导致超高强度钢发生氢脆[4]，在该断裂螺栓件中测得的氢含量足以使其发生氢脆断裂．

通常高强度的材料比强度等级低的材料氢脆敏感性大，裂纹扩展速度也大[5]．螺栓在固定汽车减速器时，会在一定拉应力及震动压力下服役，螺栓基材中的氢原子会向应力集中的部位聚集，而螺栓头与螺柱交界的台阶处正是应力集中的高危区域，该位置经过一段时间的孕育，氢浓度达到临界值时，在应力和氢原子共同作用下螺栓首先在敏感处开裂．这时缺口尖端强度因子虽高，但局部氢浓度减低，随即氢原子又向该高应力区扩散，经过一段时间的孕育后，在裂纹尖端再次出现临界状态，于是发生二次开裂[6]．微裂纹持续扩展，当螺栓的实际承载面积小于理论要求的承载面积时[7]，螺栓就发生断裂．

3 结 论

该螺栓的断裂是氢和应力共同作用下产生的氢脆延迟断裂．造成氢脆断裂的原因是酸洗和磷化过程中螺栓吸收了一定量的氢，使基材的氢含量过高．建议磷化处理后螺栓应及时进行去氢处理，严格按照除氢工艺中规定的时间及温度进行处理．

[1] 李忠吉，褚武扬，高克玮，等．氢促进位错发射和裂纹扩展的三维分子动力学模拟[J]．自然科学进展，2002(9) ：1001-1004．

[2] 周顺深．钢脆性和工程结构脆性断裂[M]．上海：上海科学技术出版社，1982：209-220．

[3] 唐文忠．35CrMo钢螺栓断裂原因分析[J]．金属制品，2015，41(4):62-64．

[4] 吴建国．氢气对金属材料之影响[J]．材料导报,2004,18(18)：119-120．

[5] 金蔚静．双头螺栓失效分析[J]．理化检验-物理分册，2003，39(5):268-270．

[6] 卢洪．高强度螺栓断裂失效分析[J]．福建工程学院学报,2009,7(4)：341-343．

[7] 吕英臣，郭合理，沈志军，等．录井钢丝的失效分析[J]．金属制品，2010，36(3)：69-72．

Fracture analysis of 12.9 high strength bolt

LI Zhen，ZHOU Haisheng，GUO Yaofeng

HongFujinPrecisionElectronics(Zhengzhou)Co.，Ltd.，Zhengzhou450000，China

12.9 grade high strength bolt of 35CrMo steel for car reducer occurred fracture failure. Through macroscopic observation, fracture analysis, chemical composition analysis, metallographic microstructure and hardness test, the crack reason of the bolt and the solution is put forward. The results show that the failure of the bolt is due to the existence of microcracks in the early stage of its use, resulting in stress concentration, and microcracks continue to crack and propagation under certain stress. The fracture surface had the feature of hydrogen embrittlement fracture, indicating that the bolt has occurred hydrogen embrittlement delayed fracture.

high strength bolt; micro-crack; hydrogen embrittlement; delayed fracture

2017-04-20

李珍(1986-)，女，河南新乡人，硕士，工程师．

1673-9981(2017)02-0128-04

TG178

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