超高强度螺栓断裂失效分析

超高强度螺栓断裂失效分析

钱豪

浙江精功新材料技术有限公司浙江杭州310018

摘要：螺栓作为重要的紧固件，其失效事故发生较多，造成的危害很大。其中，螺栓的氢脆断裂是较为常见的故障模式，由于氢脆大多与批次性问题有关，因此，危害性较大。螺纹连接是发动机各部件之间最常用的连接方式，大概占到发动机连接的70%。螺栓的受力特点决定了它是发动机的薄弱零部件。因此，连杆螺栓的失效分析与预防十分重要。本文分析超高强度螺栓断裂失效的相关内容。

关键词：超高强度螺栓；断裂失效；氢脆

超高强度螺栓是继铆接、焊接之后发展起来的一种钢结构连接型式。它具有施工简单、可拆卸、承载大、耐疲劳、较安全等优点。因此,高强度螺栓连接已发展成为工程安装的主要手段。

1实例分析

某型号高强度螺栓用于某轴承上，其强度要求很高。该型螺栓在生产检验合格服役5个月后，发现个别螺栓相继在螺纹处发生断裂。该型高强度螺栓为铰制孔螺栓(螺纹长度95mm)，材料为35CrMnSiA钢，规格为M56，螺杆长度为235mm，强度要求以GB/T3077-1999为标准。其制造工艺为：毛坯电渣重熔→预加工→超声波探伤→粗加工(单边留量3～5mm)→调质处理(950℃淬火，630℃回火)→半精加工→淬火热处理(淬火温度为900℃，310℃回火)→力学性能检验→精加工→磁粉探伤(包括螺纹部分)→表面油漆防护→装配。目前，采用的无损检测手段无法检测出螺栓内部0.2mm以下的微裂纹。通过金相检验、氢含量检验和断口电镜扫描分析等相关的手段对断裂的螺栓及未断裂的随机抽取样品进行相应的检验和断裂原因分析。

2实验方法与结果

2.1实验对象。实验对象为该型螺栓2枚，其中包括断裂的铰制孔螺栓，以及对应同型号未断螺栓1枚。

2.2外观检验。用肉眼观察，铰制孔螺栓断于第一节螺纹处断口均很平齐，无塑性变形，断面与轴线垂直，为一次性脆性断口。且在断口附近有明显的腐蚀痕迹。

2.3化学成分分析。分别对所取2个螺栓试样进行化学成分检验分析，结果表明，2个螺栓化学成分含量均符合标准。

2.4氢含量检测。分别对已断裂的铰制孔螺栓及未断裂铰制孔螺栓的光杆边缘处、R/2处及芯部进行氢含量检测，其中已断裂和未断裂的螺栓光杆边缘处及芯部检测结果基本一致，R/2处检测结果出入比较大，分别为2.0×10-6和0.6×10-6。

2.5断口分析。将断裂的铰制孔螺栓断口清洗后置于扫描电镜下观察，断口的形貌大部分均为沿晶和少量的韧窝。见图1。

2.6金相检验及硬度检测。断裂的螺栓中均有氮化物夹杂，未断裂螺栓的齿面与齿根未见微观裂纹，见图2。已断裂螺栓存在个别夹杂物超出标准规定尺寸，未断裂螺栓无此现象。已断裂螺栓的晶粒度级别为6~7，未断裂螺栓为5.5~6，显微组织显示齿面局部略有脱碳，组织为回火马氏体，测得其硬度大于50HRC，抗拉强度大于1750MPa，说明该材料的强度级别很高，属于超高强度钢。

3分析与讨论

上述实验结果表明：该型号螺栓无论在力学性能、化学成分以及晶粒度等方面均符合相关标准。该螺栓组织为回火马氏体，回火马氏体对氢是极其敏感的。该螺栓的强度很高，因此同样对氢脆的敏感性也很高。一般来说，发生氢致延迟断裂需要同时具备以下三个条件：材料内部有微裂纹、有拉应力及腐蚀环境。该螺栓服役的环境为海洋大气环境，平时处于预紧状态，受到拉应力的作用，螺纹根部受力为三向拉应力，根据前期的相关计算，螺栓所受拉应力大小约为780MPa。从螺栓的服役情况来看，发生氢致延迟断裂的后两个条件已经具备了，根据历来经验，构件内部微裂纹产生有三种原因：由于环境(疲劳、腐蚀介质、高温和联合作用等)的影响，在构件的圆角应力集中处，经过一段使用时间产生宏观微小裂纹；材料中原来就存在缺陷；在加工过程中出现裂纹。经过前期有限元分析知，螺纹根部为该螺栓应力集中处之一，但该处并非圆角应力集中处，由此可以排除这种情况。由于该螺栓用于极其重要的特殊装备上，其毛坯在进厂时进行了严格的化学成分、低倍组织、非金属夹杂及芯部晶粒度等项目检验，且均符合相关标准，这说明裂纹的产生由材料内部缺陷造成的可能性并不大。从该螺栓的加工工序来看，完全有可能在加工的过程中导致其内部材料组织受损，形成细小的微裂纹。通过相关计算，该螺栓螺纹根部所允许的临界裂纹长度为0.07mm，而目前无损检测手段无法检测出0.2mm以下的微裂纹。在螺栓加工的过程中完全有可能会使材料内部组织受损而产生大于0.07mm而小于0.2mm的微裂纹，从而使现有的无损检测手段无法检测出来。因此，合格出厂的螺栓中也完全有可能会存有潜在发生氢脆断裂的螺栓。螺栓材料中微裂纹、应力集中和其他缺陷等的存在，是加速氢的聚集、扩散乃至断裂的必要条件，微裂纹也是螺栓断裂的断裂源。由氢含量检测试验可以得出，断裂的螺栓比未断裂的螺栓在R/2处氢含量要高得多。因此，该螺栓的断裂可以初步断定是由氢脆引起的。氢脆可分为由内氢和外氢引起的氢脆，内氢是在制造过程中侵入材料的氢，而外氢是在使用过程中由外部腐蚀环境侵入的氢。在未断裂螺栓的氢含量检测中，其氢含量是符合相关标准的，由此可以推断，断裂螺栓中的超标氢是来自外部腐蚀环境中的氢。且内氢一般在螺栓使用前或使用后比较短的时间内就会使螺栓出现裂纹或断裂；外氢进入材料内部需要有一个积累的过程，使氢含量逐步达到破坏的含量，因此需要较长的时间才能使螺栓发生断裂。由于该螺栓强度要求很高，在以往的生产中曾因电镀镉引起过氢脆，后改进工艺取消电镀工序，改为表面油漆防护，这使得螺栓的抗腐蚀性能下降。在铰制孔螺栓的断口附近可以明显看到有腐蚀的痕迹，说明该螺栓确实存在腐蚀，也就存在由腐蚀而使螺栓吸氢的可能。海洋大气环境含有丰富的氢，部分原子态的氢被螺栓材料吸收进入螺栓内部，由于应力诱导扩散，使氢向螺栓内微裂纹前沿最大三向应力处聚集，经过一段孕育期，当微裂纹前沿聚集的氢浓度达到临界值时。在氢和应力的共同作用下微裂纹就会开裂。最终的结果是氢使裂纹开始扩展的临界应力强度因子下降，也就是说氢促进了裂纹的扩展。随即氢又进行上坡扩散向微裂纹前沿聚集，经过一段孕育期后微裂纹又发生开裂。这一过程不断反复进行，当裂纹长度达到临界值时，在应力作用下，裂纹失稳扩展，螺栓发生突然断裂。在实际的应力腐蚀过程中，应力、氢和腐蚀环境总是同时存在的，它们可以单独起作用，也可以同时对材料产生作用。百万分之几的氢含量就可导致超高强度钢发生氢脆。因此，该型号螺栓的断裂是在应力、氢和腐蚀共同作用下引起的氢致开裂型应力腐蚀断裂。其中，氢来源于外界腐蚀环境。

4建议

该型高强度螺栓的断裂性质为由应力、氢和腐蚀共同作用引起的氢致开裂型应力腐蚀断裂。螺栓断裂主要是由于热处理工艺的不当，导致螺栓最终服役状态并非调质态，显微组织为回火马氏体及未溶碳化物颗粒，所以螺栓的整体硬度过高;另外，组织中存在链状及球状非金属夹杂物，螺纹部位也有多种取向的裂纹，因而螺栓在受到冲击或扭转载荷时，裂纹和非金属夹杂可能成为裂纹源，加之整体硬度较高，以致发生脆性断裂。因而建议严格检查原材料质量和控制热处理工艺，确保螺栓具有良好的强韧性。

超高强度螺栓对氢比较敏感。断裂螺栓在电镀后,除氢处理工艺未达到去氢目的,其残存的氢造成螺栓的延迟断裂。

参考文献：

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