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12.9级六角头螺栓断裂失效分析

1. 概述

委托方提供两枚断裂螺栓残件及两件同批次完好螺栓,两残件为同一断裂件的两部分,断口吻合。该螺栓规格为M24×2×140,性能等级12.9级,材质为35CrMo,样品表面发黑处理。该螺栓安装在车辆主减速器轴承安装压盖上,安装扭矩900N•m,车辆运行500小时后发现螺栓断裂。图1所示为送检的失效螺栓与完好螺栓宏观形貌,可见断裂位置位于螺纹部位,断面垂直于螺栓轴向,断面附近无明显宏观塑性变形。

送检螺栓宏观形貌

图1 送检螺栓宏观形貌

图2所示为经去油污处理后的断面宏观照片,可见两断面上部区域均有一扇形腐蚀区,扇形腐蚀区的圆心位于断口边缘的螺纹处,该处锈蚀特别严重,圆心外围则腐蚀相对较轻,呈灰褐色,扇形区域之外为新鲜断口。从断面条纹走向可知断裂源区即为扇形腐蚀区的圆心位置,该部位正好位于螺纹牙底。值得注意的是,经比对发现,位于两断面上的扇形腐蚀区的外形完全吻合,这说明腐蚀发生在断口分离之前,所以可排除由于断口后期保存不当造成腐蚀的可能。

断面宏观形貌

图2 断面宏观形貌

2. 扫描电镜断口分析

图3所示为断面扫描电镜宏观形貌,图中所示A区为断裂源区,即为图2中所示的扇形腐蚀区的圆心位置,另外可见裂纹源外侧的螺纹面上也有腐蚀造成的麻坑。

 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貌,可见由腐蚀造成的麻坑

螺纹面上的腐蚀麻坑

图5所示为裂纹源区能谱分析结果,可见断面腐蚀产物中含有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纹源区微观照片,可见冰糖状沿晶形貌,并伴有晶界二次裂纹,图7所示还可见晶面上有少量鸡爪痕。

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所示为断面快速扩展区微观形貌,可见准解理形貌。

断面快速扩展区微观形貌

图8 断面快速扩展区微观形貌

图9所示为试样断面终断区微观形貌,可见韧窝形貌。

图9 断面终断区微观形貌

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 试样芯部金相组织

图11所示断裂螺栓纵向剖面非金属夹杂物评定,根据“GB-T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准”可评定为D类(球状氧化物夹杂,细系)1.5级。

断裂螺栓非金属夹杂物评定

图11 断裂螺栓非金属夹杂物评定

图12所示为断裂螺栓完好螺纹处金相组织,可见螺纹牙侧碳势正常,螺纹牙顶存在折叠,但折叠深度未超过牙高的1/4,根据“GB/T 5779.1-2000”规定,此类折叠允许存在,且牙顶折叠不是造成螺栓断裂的原因。

图12 断裂螺栓螺纹金相

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股票配资公司机械性能 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 断裂螺栓硬度检测结果

断裂螺栓硬度检测结果

5. 螺栓材质分析

表2 断裂螺栓化学成分

采用直读光谱法对断裂螺栓进行化学成分分析,结果如表2所示,化学成分符合“GB/T3077-1999”标准中对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

对断裂件及完好件分别进行氢含量检测,结果如表3所示。完好螺栓氢含量较低,断裂螺栓芯部氢含量也未见明显异常,唯独裂纹源附近氢含量较高,这说明螺栓的制造工艺未导致明显的渗氢,裂纹源处的氢应来自外来介质腐蚀。

表3 螺栓氢含量检测

螺栓氢含量检测

7.综合分析

断裂螺栓断口附近未见明显宏观塑性变形,断面大面积为沿晶、准解理形貌,为脆性断裂;裂纹源位于螺纹牙底,该处腐蚀严重,能谱分析显示腐蚀产物中含有Cl、S等元素;氢含量检测结果表明,裂纹源处氢含量较高,其余部位较低,完好螺栓也未见渗氢。断面微观形貌显示,裂纹源处为沿晶断口,并伴有晶间二次裂纹及晶面鸡爪痕,呈氢脆断裂特征。综上分析可知,螺栓是受到外来物质腐蚀后,导致局部渗氢并引起氢脆断裂。

8. 结论。

一、螺栓的断裂性质为氢脆;

二、引起螺栓氢脆断裂的原因是螺栓受到外来介质腐蚀而导致局部渗氢;

三、螺栓化学成分、硬度均符合标准要求,金相组织正常。

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