M56螺栓斷裂失效的案例分析
我公司生產的用于回轉部上上框架外側弧形框連接法蘭最外側上部的兩件M56×210螺栓發(fā)生斷裂。螺栓規(guī)格為M56，所用材料為40Cr，設計要求硬度為28～32HRC，表面鍍鋅，鍍層厚度設計要求為7～12μm。兩件斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，斷裂位置均位于螺紋段，1#螺栓斷裂位置距端頭約50mm（裝配面附近），2#螺栓斷裂位置距端頭約70mm，斷裂位置未見機械損傷及明顯塑性變形痕跡，斷口及螺栓表面存在明顯的腐蝕痕跡。螺栓緊固件是機械設備上不可缺少的通用零部件，用量大，使用范圍廣，對其斷裂失效原因進行分析是十分必要的。
圖1 斷裂螺栓宏觀形貌
體視顯微鏡下觀察兩螺栓斷口，宏觀形貌相似，斷口凹凸不平，斷面粗糙，存在明顯的腐蝕痕跡，其中2#斷口腐蝕程度更嚴重；源區(qū)位于螺紋根部表面，為線源起裂，擴展區(qū)呈放射狀，如圖2所示。
圖 2
采用掃描電鏡對兩個螺栓斷口進行微觀形貌觀察，1#斷口和2#斷口源區(qū)及其附近擴展區(qū)均呈沿晶+腐蝕形貌，沿晶區(qū)域最大深度約5mm，可見較多沿晶二次裂紋，晶面可見微孔及“雞爪紋”，部分晶面可見腐蝕痕跡，如圖3、圖4所示。
圖3 源區(qū)沿晶形貌
圖4 源區(qū)晶面腐蝕形貌
對斷面進行能譜分析，未腐蝕晶面含有Fe、Cr（1.3%）、Mn（0.8%）元素，主合金元素及含量與40Cr牌號相符，腐蝕區(qū)域除基體元素外還含有較高的O元素，能譜圖如圖5所示。
圖5 斷面能譜分析
表1 原材料40Cr成分復驗情況匯總
表2 原材料力學性能復驗情況匯總
從2#螺栓斷口區(qū)域截取部分試樣進行金相分析，斷口剖面呈鋸齒狀，可見腐蝕產物及較多沿晶分叉裂紋，個別裂紋內部可見腐蝕產物，如圖6所示。
圖6 斷口表面腐蝕及沿晶分叉裂紋形貌
浸蝕后觀察，斷口區(qū)域組織與其他區(qū)域組織未見明顯差異，均為馬氏體組織，如圖7所示。
圖7 顯微組織形貌
螺栓外表面可見斷續(xù)分布的鍍鋅層，厚度7～8μm，符合設計要求（7～12μm），鍍層形貌如圖8所示。
（a） （b）
圖8 表面鍍層形貌
對2#金相試樣進行顯微硬度測試，測試結果為460HV0.3、60HV0.3、465HV0.3、463HV0.3、465HV0.3，平均463HV0.3，換算為約46.2HRC，遠高于設計要求，根據GB/T 1172—1999標準換算為抗拉強度大于1400MPa。對1#螺栓端面進行洛氏硬度測試，結果為47.8HRC、48.8HRC、45.5HRC、45.2HRC、48.8HRC，平均47.2HRC，換算為抗拉強度大于1500MPa。（1）能譜分析結果表明螺栓所用材料的主成分未見異常，原材料入廠復驗成分及力學性能均符合GB/T3077要求。（2）金相分析結果表明螺栓材料組織為馬氏體組織，材料硬度大于46HRC，遠高于設計要求，應是熱處理工藝控制不當所致。（3）螺栓表面存在鍍鋅層，厚度符合設計要求。QJ450B—2005標準規(guī)定，直徑大于10mm、抗拉強度大于1300MPa的高強度螺栓禁用鍍鋅工藝，由于該強度下材料具有高的氫脆敏感性，極易發(fā)生氫脆。（4）兩件螺栓均斷于螺紋段，斷裂部位未見明顯塑性變形痕跡，斷口表面存在不同程度的腐蝕痕跡。兩斷口宏觀、微觀形貌較為相似，源區(qū)位于螺紋根部表面，為線源起裂，源區(qū)及擴展區(qū)微觀均呈沿晶+腐蝕形貌，可見較多沿晶二次裂紋，晶面可見微孔及“雞爪紋”，部分晶面存在腐蝕痕跡。根據以上形貌特征判斷，兩件螺栓的斷裂模式均為脆性延遲斷裂，機理為氫脆及應力腐蝕。
綜合分析認為，兩件螺栓的斷裂模式均為脆性延遲斷裂，機理為氫脆及應力腐蝕。螺栓在使用過程中螺紋根部首先產生氫損傷，后續(xù)使用過程中在氫脆及應力腐蝕的共同作用下發(fā)生擴展并斷裂。發(fā)生斷裂的原因應與熱處理工藝控制不當導致材料硬度過高、具有較高的氫脆敏感性有關。
作者：李玲、孟慶宇、劉旭科、程良
單位：山西航天清華裝備有限責任公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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