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紧固件断裂宏观金相分析

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浏览:- 发布日期:2020-07-28 16:02:02【

10.9级六角头螺栓,规格为M16×1.5×60,表面电镀锌处理,呈黄色。该螺栓为汽车方向机支架螺栓,在安装运行一段时间后断裂。

螺栓断裂件自螺栓头下圆角处断裂,如图12-59所示。

螺栓断口处未见明显塑性变形和机械擦伤,但支撑面有摩擦痕迹;宏观观察断口表面,其断口结构较粗糙呈颗粒状,色泽偏亮灰色,局部区域已被锈蚀,如图12-60所示。

图12-59 断裂件宏观形貌 图12 -60断口宏观形貌

图12-59 断裂件宏观形貌               图12 -60断口宏观形貌

(1)微观分析

螺栓断口用超声波清洗后扫描电镜观察,断口低倍形貌见图12-61。

断口裂纹的起源处为沿晶断裂,断口呈冰糖状断口,断口晶面平坦,没有明显的附着物,伴有白亮的不规则细亮条纹和二次裂纹,局部可见鸡爪痕,如图12-62所示;断口的扩展区为准解理形貌伴有少量韧窝,如图12-63所示。

图12-61 断口低倍形貌 图12-62 裂纹起源处微观形貌

图12-61  断口低倍形貌                 图12-62  裂纹起源处微观形貌

图12-63 扩展区断口微观形貌。


                   图12-63   扩展区断口微观形貌。



(2)化学成分分析

采用光谱仪对断裂螺栓进行成分检测,检测结果符合《GB/T3077- 1999》标准对20MnTiB钢成分要求,

(3)硬度检测

将螺栓断口附近截下进行硬度梯度试验。硬度梯度试验是横向从螺栓表面开始沿轴向打维氏硬度,表面硬度450HV,沿横截面方向向内的硬度逐渐降低,心部硬度为380HV。

(4)金相检查

螺栓断口附近取样制成金相试样,金相组织为回火索氏体组织,如图12-64所示;螺栓表面有0.18mm左右的渗碳层,如图12-65所示。

图12-64 断裂螺栓金相组织图12-65 螺纹表面渗碳组织

图12-64 断裂螺栓金相组织                图12-65 螺纹表面渗碳组织

(5)氢含量的测定

在螺栓断口附近和螺栓心部取样进行氢含量测定,测氢仪测定氢含量结果:

断口附近氢含量14.1 ppm,心部氢含量5.2 ppm。

故障螺栓的化学成分满足《GB/T3077-1999》标准的要求;硬度梯度试验表明螺栓表面硬度高,为450HV,心部硬度为380HV,说明螺栓存在表层硬化现象,金相组织检查,螺栓表面表面有渗碳层,所以,螺栓表面硬度比心部高的多。

氢含量检测,螺栓断口附近表面氢含量相当高。

该螺栓为10.9级高强度螺栓,通常高强度的材料比强度等级低的材料氢脆敏感性大,裂纹扩展速率也大。而螺栓表面由于渗碳层的存在,使得螺栓表面硬度高塑性差。在断裂件中测得的氢含量高达14.1ppm,为氢脆断裂的发生提供了条件。

螺栓断口没有明显的塑性变形,微观形貌中的冰糖块晶粒形状,以及晶面上的鸡爪痕等是氢脆的典型形貌。

该螺栓在制造过程中经过了酸洗和电镀锌,螺栓在这两道工艺过程中造成较多的氢渗入,在后期处理中,渗入螺栓的氢没有完全去除,而且氢滞留在螺栓内的氢含量较高。在应力的作用下较高氢含量的氢容易向应力集中的部位聚集,应力集中处产生微裂纹,在应力和氢的共同作用下裂纹扩展,螺栓开裂最后断裂失效。

根据以上分析,可以得出如下结论与启示:

(1)螺栓的断裂性质是氢致脆性断裂。

(2)螺栓热处理渗碳使表面硬度增高,也使螺栓脆性增加。

(3)螺栓在酸洗和电镀锌时有氢渗入,渗氢后没有及时除氢,造成螺栓存在氢脆危险性。

(4) 螺栓在热处理时不要人为渗碳,一定要按工艺进行热处理防止渗碳和脱碳。

(5)高强度螺栓最好不要进行酸洗和电镀锌,可采用吹砂、清洗后热浸锌,防止氢渗入。

(6)高强度螺栓一定要防止酸洗;如果要镀锌,最好采用吹砂或其他清洗方法,电镀锌后一定要及时除氢。

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