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海边 质量分析

12.9级六角头螺栓断裂失效分析

1. 概述

委托方提供两(liang)枚(mei)断(duan)裂螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)残(can)件及两(liang)件同(tong)批次(ci)完好螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan),两(liang)残(can)件为(wei)(wei)同(tong)一(yi)断(duan)裂件的两(liang)部分,断(duan)口吻合。该螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)规格为(wei)(wei)M24×2×140,性(xing)能等级12.9级,材质为(wei)(wei)35CrMo,样(yang)品表面发黑处(chu)理。该螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)安(an)装(zhuang)在车(che)(che)辆主减速器轴(zhou)(zhou)承安(an)装(zhuang)压盖上(shang),安(an)装(zhuang)扭矩900N•m,车(che)(che)辆运行500小时后发现螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)断(duan)裂。图1所示为(wei)(wei)送(song)检的失效螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)与完好螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)宏观形貌(mao),可(ke)见断(duan)裂位置位于螺(luo)(luo)(luo)纹部位,断(duan)面垂直于螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)轴(zhou)(zhou)向(xiang),断(duan)面附(fu)近无明显宏观塑(su)性(xing)变(bian)形。

送检螺栓宏观形貌

图1 送检螺(luo)栓宏观形貌(mao)

图(tu)2所示为经去油污处理后(hou)的(de)(de)断(duan)面(mian)(mian)宏(hong)观照片(pian),可(ke)见(jian)两断(duan)面(mian)(mian)上部区域(yu)均有一扇(shan)形腐(fu)蚀(shi)(shi)区,扇(shan)形腐(fu)蚀(shi)(shi)区的(de)(de)圆(yuan)心位于(yu)(yu)断(duan)口边缘(yuan)的(de)(de)螺纹处,该处锈蚀(shi)(shi)特别严(yan)重,圆(yuan)心外围则(ze)腐(fu)蚀(shi)(shi)相对较轻,呈灰褐色,扇(shan)形区域(yu)之外为新鲜(xian)断(duan)口。从断(duan)面(mian)(mian)条纹走(zou)向可(ke)知断(duan)裂源(yuan)区即为扇(shan)形腐(fu)蚀(shi)(shi)区的(de)(de)圆(yuan)心位置,该部位正好位于(yu)(yu)螺纹牙底(di)。值(zhi)得注(zhu)意的(de)(de)是,经比对发现,位于(yu)(yu)两断(duan)面(mian)(mian)上的(de)(de)扇(shan)形腐(fu)蚀(shi)(shi)区的(de)(de)外形完全吻(wen)合,这说明腐(fu)蚀(shi)(shi)发生在断(duan)口分离之前,所以可(ke)排除由于(yu)(yu)断(duan)口后(hou)期保存不当(dang)造成腐(fu)蚀(shi)(shi)的(de)(de)可(ke)能(neng)。

断面宏观形貌

图(tu)2 断面宏观形貌(mao)

2. 扫描电镜断口分析

图(tu)3所示为断面扫描(miao)电镜宏观形貌,图(tu)中(zhong)所示A区(qu)为断裂源区(qu),即为图(tu)2中(zhong)所示的(de)(de)扇形腐(fu)蚀(shi)(shi)区(qu)的(de)(de)圆心位置(zhi),另外(wai)(wai)可见(jian)裂纹源外(wai)(wai)侧的(de)(de)螺(luo)纹面上(shang)也有腐(fu)蚀(shi)(shi)造成(cheng)的(de)(de)麻坑(keng)。

 断裂源区宏观形貌

图3 断裂(lie)源区(qu)宏观(guan)形貌

图4所示为裂纹源区外侧螺(luo)纹面上的(de)形(xing)貌(mao),可见由腐蚀(shi)造(zao)成的(de)麻坑(keng)

螺纹面上的腐蚀麻坑

图5所示为裂纹源区(qu)能谱分析结果,可见断面腐蚀产物(wu)中含(han)有Cl、S等元素。

断裂源区能谱分析

图(tu)6、图(tu)7所示为经清洗后的裂(lie)纹源区微(wei)观照片,可(ke)见(jian)(jian)冰糖状沿晶形貌,并(bing)伴有晶界二次裂(lie)纹,图(tu)7所示还(hai)可(ke)见(jian)(jian)晶面(mian)上有少量(liang)鸡(ji)爪痕。

断裂源区微观形貌

图6 断裂源区微观(guan)形(xing)貌(mao)

图7 断裂(lie)源(yuan)区微观形(xing)貌

图8所示(shi)为断面快速扩展区微观形(xing)貌,可见(jian)准(zhun)解理形(xing)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(suo)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(qu)微观形貌

3. 金相检测

图10所示为断裂(lie)螺(luo)栓芯部金(jin)相组(zu)织,为回火索氏体组(zu)织。

试样芯部金相组织

图10 试样芯部(bu)金相组织

图(tu)11所(suo)示(shi)断裂(lie)螺栓纵向剖面非金属(shu)夹(jia)杂(za)物(wu)评(ping)定(ding),根(gen)据“GB-T 10561-2005 钢(gang)中非金属(shu)夹(jia)杂(za)物(wu)含(han)量的(de)测定(ding)标准”可评(ping)定(ding)为(wei)D类(球(qiu)状(zhuang)氧化物(wu)夹(jia)杂(za),细系)1.5级(ji)。

断裂螺栓非金属夹杂物评定

图11 断裂螺栓(shuan)非金属夹(jia)杂(za)物评定(ding)

图12所示为断裂螺(luo)(luo)栓完好螺(luo)(luo)纹(wen)处(chu)金相(xiang)组织,可见(jian)螺(luo)(luo)纹(wen)牙(ya)侧(ce)碳(tan)势正常,螺(luo)(luo)纹(wen)牙(ya)顶(ding)存在折叠,但折叠深度未超(chao)过牙(ya)高的1/4,根(gen)据(ju)“GB/T 5779.1-2000”规定,此类折叠允(yun)许存在,且牙(ya)顶(ding)折叠不(bu)是造成螺(luo)(luo)栓断裂的原因(yin)。

图12 断裂螺(luo)栓螺(luo)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紧固件机械性能 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(duan)裂螺栓硬度检(jian)测结果

断裂螺栓硬度检测结果

5. 螺栓(shuan)材质分(fen)析

表2 断裂螺栓化学成分

采用直读光谱法(fa)对断(duan)裂螺栓进(jin)行化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)分(fen)析,结果如表(biao)2所示,化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)符合(he)“GB/T3077-1999”标准中对35CrMo钢(gang)的要求,如表(biao)2所示。

断裂螺栓化学成分

6. 螺栓氢含量测定(ding)

对断裂件及完好(hao)件分别进(jin)行(xing)氢(qing)(qing)含量(liang)检测,结果如表3所示。完好(hao)螺栓(shuan)氢(qing)(qing)含量(liang)较低,断裂螺栓(shuan)芯(xin)部氢(qing)(qing)含量(liang)也未见明显异常(chang),唯(wei)独裂纹源附近氢(qing)(qing)含量(liang)较高,这说明螺栓(shuan)的(de)制造工艺未导(dao)致明显的(de)渗氢(qing)(qing),裂纹源处的(de)氢(qing)(qing)应来自外来介质腐蚀。

表(biao)3 螺栓(shuan)氢含量检测

螺栓氢含量检测

7.综(zong)合分析

断(duan)裂(lie)(lie)螺栓(shuan)断(duan)口附近未见明(ming)显(xian)宏观塑性(xing)(xing)变形(xing)(xing),断(duan)面大面积为沿晶、准解理形(xing)(xing)貌,为脆性(xing)(xing)断(duan)裂(lie)(lie);裂(lie)(lie)纹(wen)源(yuan)位于螺纹(wen)牙底,该(gai)处腐蚀(shi)(shi)严重,能谱分析显(xian)示(shi)(shi)腐蚀(shi)(shi)产物中含(han)有(you)Cl、S等(deng)元素;氢含(han)量检测结果表明(ming),裂(lie)(lie)纹(wen)源(yuan)处氢含(han)量较(jiao)高,其(qi)余部位较(jiao)低,完好螺栓(shuan)也未见渗氢。断(duan)面微观形(xing)(xing)貌显(xian)示(shi)(shi),裂(lie)(lie)纹(wen)源(yuan)处为沿晶断(duan)口,并伴有(you)晶间二次裂(lie)(lie)纹(wen)及晶面鸡(ji)爪痕,呈氢脆断(duan)裂(lie)(lie)特征。综上分析可知(zhi),螺栓(shuan)是(shi)受到(dao)外来物质(zhi)腐蚀(shi)(shi)后,导致局部渗氢并引(yin)起氢脆断(duan)裂(lie)(lie)。

8. 结论。

一、螺栓的(de)断裂性质为氢脆;

二、引起螺栓(shuan)氢脆断裂的(de)原因是螺栓(shuan)受到外来介(jie)质腐蚀而导致局部渗氢;

三(san)、螺(luo)栓化学成分、硬(ying)度均符合标(biao)准(zhun)要求,金相组织(zhi)正常。

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