超高强度螺栓断裂失效分析

失效分析 超高强度螺栓断裂失效分析 杨 � 力, 孙 � 浩, 奚建法, 陆 � 慧, 宁 � 超, 王春亮 (上海材料研究所, 上海 200437) 曾德鑫 (九江船用机械厂, 九江 332209) 摘 � 要: 材质为 35CrMnSiA钢的 M56超高强螺栓在装配过程中,其螺帽与螺杆的 R 过渡处发 生断裂。经检查,未装配的同批螺栓在螺帽与螺杆的 R 过渡处也存在微裂纹。借助化学分析、金 相检验、扫描电镜和力学性能测试等手段对超高强度螺栓的显微组织、力学性能、宏观和微观断口 形貌等进行了研究。结果表明, 螺栓在表面处理过程中, 表面富氢而产生氢致裂纹, 在应力作用 下, 发生氢脆断裂。 关键词: 高强度螺栓; 失效分析; 氢脆 中图分类号: TG142. 41� � � 文献标识码: A � � � 文章编号: 1001�4012( 2004) 04�0195�04 FAILURE ANALYSIS OF THE FRACTURE OF BOLT S OF SUPER HIGH STRENGTH YANG Li, SUN Hao, XI Jian�fa, LU Hui, NING Chao, WANG Chun�liang ( Shanghai Reaserch Institute of Materials, Shanghai 200437, China) ZENG De�xin ( Jiujiang Mar ine Machine Plant , Jiujiang 332209, China) Abstract: M56 Super high streng th bolt made of 35CrMnSiA fractured at t he position o f the R tr ansitio n area between the screw cap and t he bolt, there ar e micro cracks at same position of the bolts of same lot which are not assembledyet. By means of metallographical ex amination, SEM inspect ion, the microstructure char acteristics, chemical composition analysis and mechanical propert y test ing , the macro�and microfractographs of the brittle broken bolt have been studied. T he results show that the failur e of the bolt had been damaged by hydrogen during surface treatment . Keywords: Bolt of high strengt h; Failure analysis; Hydrogen embrittlement 1 � 引言 某厂生产的超高强度螺栓, 材质为 35CrM nSiA 钢,规格为 M56 � 220mm。制造工艺为: 电渣重熔 毛坯 �110mm � 3 000mm 锻造 锻棒正火 粗加 工(单边留量 3~ 5mm) 超声波探伤 第一次热处 理(淬火温度为 950 ! , 630 ! 回火) 精加工成品 第二次热处理(淬火温度为 900 ! , 230 ! 回火) 渗 透探伤 酸洗 表面电镀镀镉 除氢处理( 80~ 收稿日期: 2003�08�19 作者简介:杨 力( 1966�) ,女,高级工程师。 100 ! 热水, 20~ 30min) 磨削成品。工件经检验 合格入库一个月后,在螺栓装配过程中,一个螺栓的 螺帽与螺杆的 R 过渡处发生断裂。对其余的螺栓 进行磁粉探伤复查,发现部分螺栓在 R 过渡处存在 微裂纹。 为找出螺栓断裂失效原因, 从该批螺栓中取 9 个螺栓进行分析, 其中已断裂的螺栓 1 个(编为 1 号) ,经磁粉探伤存在微裂纹的螺栓 4个(编为 2~ 5 号) ,正常螺栓 4个(编为 6~ 9号)。 2 � 试验与结果 2. 1 � 断口宏观形貌 ∀195∀ 第 40 卷第 4 期 2004 年 4月 理化检验�物理分册 PTCA ( PART A: PHYSICAL TEST ING ) Vol. 40 � No. 4 Apr. 2004 � � 1号螺栓断口比较平整,无塑性变形,为多源断 裂,断口的实物照见图 1。将 2号螺栓沿裂纹处人 工打开,其断口宏观形貌见图 2, 裂纹深度约 2mm, 长度约 18mm。 图 1� 1 号螺栓断口形貌 Fig . 1� F ractured appearance of No. 1 bolt 图 2� 2 号螺栓断口形貌 Fig . 2� F ractured appearance of No. 2 bolt 2. 2 � 断口微观形貌 将 1号螺栓断口清洗后在扫描电镜下观察,图 3为其中一个裂纹源的低倍形貌,图 4 显示出断口 呈沿晶及准解理特征。垂直断口取样磨抛后在扫描 电镜下观察,其裂纹不连续,见图 5。 图 3� 1 号螺栓裂纹源的低倍形貌 F ig. 3� Low magnfication appearance of the cr ack source of No. 1 bolt 图 6为 2号螺栓扫描电镜下的断口形貌, 分为 不同颜色的三个区, 在与撕裂区交界处有内裂纹(箭 头所示) ; 在开裂区与最后撕裂区可见沿晶与韧窝形 貌,见图 7。 2. 3 � 金相检验 图 4� 1 号螺栓沿晶及准解理形貌 Fig . 4 � The fracture sur face of intergranular and quasicleavage of No . 1 bolt 图 5 � 1 号螺栓裂纹形貌(未侵蚀) F ig. 5 � The appear ance of crack of No. 1 bo lt ( not etched) 图 6� 2 号螺栓断口形貌 F ig. 6� The appear ance of the fracture surface of No. 2 bolt � � 取 1号和 2号螺栓垂直断口制成金相试样, 在 显微镜下观察, 有局部脱碳现象, 总脱碳层深约 0�2mm;显微组织为回火马氏体并有沿晶裂纹, 见 图 8。 2. 4 � 化学分析 ( 1) 化学成分分析 � 在 1号螺栓上取样进行化 学分析, 结果(质量分数)见表 1。 ( 2) 氢含量测定 � 采用美国 LECO公司的氧氮 氢分析仪,分别在 1号和 2号螺栓的螺帽和螺杆外 表面及芯部进行氢含量测定。氢含量测试取样位置 ∀196∀ 杨 力等: 超高强度螺栓断裂失效分析 表 1 � 1号螺栓的化学成分 Tab. 1 � Chemical compost ion of No. 1 bolt % 项目 C S Mn Si P Cr Ni Mo Cu 实测值 0. 38 0. 001 0. 99 1. 38 0. 022 1. 24 0. 040 0. 088 0. 15 标准值 0. 32~ 0. 39 # 0. 025 0. 80~ 1. 10 1. 10~ 1. 40 # 0. 025 1. 10~ 1. 40 # 0. 30 # 0. 10 # 0. 25 图 7 � 2号螺栓沿晶及韧窝形貌 F ig. 7 � The fracture surface of intergr anular and dimple of No. 2 bolt 图 8 � 基体组织与沿晶裂纹 4%硝酸酒精溶液侵蚀 Fig. 8� Microstr ucture of matr ix and crack of interg ranular Etched wit h 4% nitr ic�acid alcohol solution ( a) � 螺帽 ( b) � 螺杆 图 9 � 氢含量测试取样位置图 F ig. 9� Scheme of sampling location of hydrogen content testing 见图 9, 测定结果见表 2。 2. 5 � 力学性能测定 在 1号螺栓的 1/ 2半径处取样进行力学性能试 验,结果见表 3。 3 � 分析与讨论 从试验结果可看出,该高强度螺栓的化学成分 表 2 � 螺栓氢含量分析结果 T ab. 2 � Result of content of hydrgon 名称 测试部位 氢含量/ � 10- 4% 螺帽 a区域(距表面 4mm 区域) 3. 85 b 区域(距表面 4mm 区域) 3. 80 螺杆 c区域(距表面 2mm 区域) 9. 70 d 区域(距表面 2mm 区域) 2. 99 e区域(表面 2~ 4mm 区域) 1. 23 f 区域(表面 2~ 4mm 区域) 0. 89 芯部 0. 87 表 3 � 力学性能测试结果 Tab. 3� Testing r esults of mechanical pr operties 项目 硬度 (HRC) 冲击 吸收功 A kU2/ J 规定非比例 延伸强度 R p0. 2/ MPa 抗拉 强度 R m/ MPa 断后 伸长率 A ( % ) 断面 收缩率 Z( % ) 实测值 52. 0 38 1570 1920 11. 0 38. 5 52. 5 40 1600 1920 9. 5 39. 5 标准值 - ∃31 ∃1280 ∃1620 ∃9 ∃40 和力学性能都满足标准 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 , 其中抗拉强度和规定 非比例延伸强度大大超过其标准要求。显微组织为 回火马氏体, 也属正常。由化学分析知,螺帽与螺杆 外表面的氢含量( 2. 99~ 9. 70) � 10- 4%, 属偏高。 分析螺栓的电镀工艺得出, 螺杆外表面氢含量偏高 是由于螺栓在电镀时,要经过酸洗和电镀, 在这过程 中吸附了大量的氢,而在其随后的去氢处理过程中, 由于温度低、时间短,使螺栓表面吸附的氢来不及扩 散外逸, 导致仍有较多的氢滞留在螺栓内。 由于该螺栓的强度很高, 含有氢的高强度钢在 低应力作用条件下,经过一段孕育期, 当钢中裂纹前 沿溶解的氢浓度达到临界值时, 在氢和应力的共同 作用下开裂。这时缺口尖端应力强度因子虽高, 但 局部氢浓度降低。随即氢又向该高应力区扩散, 经 一定孕育期后在裂纹尖端再次出现临界状态, 于是 又发生了第二次开裂。这个过程不断反复进行, 间 隙的时间为氢的聚集所消耗的时间。所以氢裂纹扩 ∀197∀ 杨 力等: 超高强度螺栓断裂失效分析 展是断续式的, 因此出现了图 5所示的不连续裂纹。 当裂纹长度达到临界值时,裂纹失稳扩展,材料发生 突然脆性断裂, 这种断裂现象称为延迟破坏, 这是氢 脆的显著特征之一。 高强钢的氢脆断口微观形态没有固定特征,它 与裂纹前沿的应力强度因子K %值及氢浓度CH有 图 10 � 35CrMnSiA 钢断口类型与裂纹前沿 K %值 及 CH 的关系 Fig. 10� Relation of K %and CH and the fracture pattern of 35CrMnSiA steel 关。图 10 是 35CrMnSiA 钢断口形态受裂纹前沿 K %值和 CH 影响的变化规律。35CrM nSiA 钢断口 在 K %较高、CH 较低时为准解理加韧窝断裂; 在 K %很低、C H 很高时则发生沿晶断裂, 中间区域为 准解理+ 韧窝+ 沿晶的混合开裂。根据 1号螺栓断 口微观形貌呈沿晶和准解理特征及其近表面处氢含 量较高, 其与中间区域的混合开裂特征相吻合的。 4 � 结论 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。 感谢李晋教授、王滨教授、龚应时高级工程师在本研究 中给予的帮助。 参考文献: [ 1] � 桂立丰主编. 机械工程材料测试手册, 腐蚀与摩擦学卷 [ M ] . 沈阳:辽宁科学技术出版社, 2002. 266- 277. [ 2] � 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. (上接第 190 页) 表 1 � 膨润土吸潮试验统计表 Tab. 1� Bentoite moisture absorption test statist ical table g 试样 号 盘重+ 试样量 / g 烘后 试样量 / g 烘烤试样在室温中放置时间/ min 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 19 20 1 293+ 200 467 468 - 469 - - - 470 471 - 472 - - - - 2 291+ 200 465 - - - 466 - - 467 - - - 468 - - - 3 149+ 200 324 325 - - - - - - 326 - - - - - - 327 - - - - - - - - 328 - - - - 4 149+ 200 323 - 323 324 - - - 325 - - - - 326 - 327 5 154+ 200 326 - - - - 327 - 328 - - 329 - 330 - 331 6 156+ 200 331 - - - - - 332 - - 333 334 - - 336 - 4 � 结论 通过试验, 确定测定膨润土水分的方法为:称取 膨润土试样 200 & 1g 均匀平铺在直径 30cm 的不锈 钢盘中,放入 145 ! 的烘箱内烘烤 2h,取出后趁热称 量,然后按下式计算其水分含量。 水分含量 % = � � � � � � � � � � � � � � 烘烤前试样量- 烘烤后试样量 烘烤前试样量 � 100% 参考文献: [ 1] � 俞守淦编. 铁矿球团矿生产 [ M ] . 北京: 冶金工业部, 1985. 172- 174. ∀198∀ 杨 力等: 超高强度螺栓断裂失效分析