螺栓斷口綜合失效分析
內(nèi)六角頭螺栓，規(guī)格M20×95，強度12.9級，材料ML40Cr鋼，表面發(fā)黑處理。該批螺栓安裝扭矩為490N•m，安裝24h后斷裂，期間未接觸腐蝕性介質(zhì)。
取3件螺栓斷裂件進行分析，三件斷裂件均于頭下斷裂，斷面都已銹蝕嚴重，見圖12-16。
圖12-16 斷裂螺栓斷口宏觀形貌
（1）斷裂面掃描電鏡分析
斷裂位于頭下圓角處，未見宏觀塑性變形，斷面有放射性條紋，分別收斂于左右兩側(cè)邊緣位置。
圖12-17為斷面低倍形貌，可見發(fā)散條紋收斂于邊緣處，判斷為裂紋形核源區(qū)
圖12-18、圖12-19所示為裂紋源區(qū)微觀形貌，可見冰糖狀沿晶開裂，存在晶間二次裂紋，晶面有少量雞爪形撕裂紋
圖12-20所示斷面中心區(qū)域電鏡照片，表現(xiàn)為準解理形貌。
對斷面附近圓角處進行掃描電鏡能譜分析，結(jié)果顯示：
圖12-21為斷面附近圓角處的掃描電鏡照片：圖12-22對斷面附近圓角處的能譜分析結(jié)果，圓角處存在斑駁的磷化層
圖12-17 斷面宏觀形貌 圖12-18 斷裂源區(qū)微觀形貌
圖12-19 斷裂源區(qū)微觀形貌 圖12-20 斷面中心區(qū)域微觀形貌
圖12-21 斷裂源區(qū)微觀形貌
圖12-22 螺栓掃描電鏡能譜分析
（2）螺栓材質(zhì)化學(xué)分析
采用直讀光譜法對螺栓進行成分分析，分析結(jié)果符合ML40Cr鋼成分要求。
（3）氫含量測定
在斷面附近取樣進行氫含量檢測，檢測結(jié)果：氫含量為8.47ppm。
（4）金相分析
將螺栓制成金相試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕。
螺栓表面金相組織，表面及斷面碳勢均正常無脫碳（其中圖上方的白點為鑲嵌縫異物），見圖12-23所示，。
圖12-24所示為螺栓心部金相組織，為回火屈氏體。
圖12-23 螺栓表面金相組織 圖12-24 螺栓心部金相組織
（5）硬度檢測
對螺栓進行表面硬度梯度及心部硬度檢測，檢測結(jié)果，螺栓硬度符合標準《GB/T 3098.1-2010》的相關(guān)規(guī)定。
該批螺栓各項力學(xué)性能符合 《GB/T 3098.1-2010》要求，螺栓表面有明顯的脫碳現(xiàn)象，其顯微組織符合標準要求。
螺栓斷裂起始位置位于邊緣部位，該區(qū)域斷面為沿晶斷裂形貌，晶面有雞爪痕撕裂紋，并伴有晶間二次裂紋，表現(xiàn)為氫致延遲斷裂特征；螺栓氫含量檢測結(jié)果為8.47ppm，對于12.9級的高強度螺栓，已存在很大的氫脆風(fēng)險。
斷裂面掃描電鏡分析和螺栓氫含量檢測結(jié)果，說明螺栓斷裂氫致延遲斷裂。
氫致延遲斷裂是緊固件產(chǎn)品失效機理中比較常見的一種，它是由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致的損傷，無征兆，具有突發(fā)性。而且，氫在材料中的分布不均勻，通常會在應(yīng)力集中部位聚集導(dǎo)致局部濃度較高。螺栓頭下圓角處應(yīng)力集中，會導(dǎo)致氫在此處富集，在裝配應(yīng)力作用下，螺栓頭下圓處首先產(chǎn)生氫致微裂紋，微裂紋的尖端會進一步導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而使裂紋不斷擴展，發(fā)生氫致延遲斷裂。
螺栓氫含量檢測結(jié)果，說明螺栓加工過程有氫滲入，或滲氫后沒有除氫，造成螺栓氫含量較高，在安裝應(yīng)力作用下，發(fā)生氫致延遲斷裂。
根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：
（1） 螺栓的斷裂性質(zhì)是氫致延遲斷裂。
（2） 螺栓加工過程有氫滲入，滲氫后沒有及時除氫，滲氫螺栓在應(yīng)力作用下發(fā)生氫致延遲斷裂。
（3） 螺栓加工過程要避免氫滲入，滲氫后要及時除氫處理。
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