汽車底座六角頭螺栓失效分析
某發(fā)動機底座六角頭螺栓，強度為12.9級，規(guī)格為M12×30，材料為40Cr鋼，螺栓表面發(fā)黑處理; 螺栓安裝后在第二天就發(fā)生了斷裂。
（1）宏觀檢查
六角頭螺栓斷裂件，宏觀形貌見圖12-25。
螺栓斷裂位置為螺紋部分，斷口平直，斷面結(jié)構(gòu)粗糙，斷口附近無宏觀塑性變形，整個斷面呈深灰色，其上可見多個銀白色亮區(qū)，見圖12-26。
圖12-25 斷裂螺栓宏觀形貌
圖12-26 斷口宏觀形貌
（2）微觀分析
在掃描電鏡下觀察斷口形貌，裂源區(qū)微觀形貌均為冰糖狀沿晶斷裂，晶面上存在大量的雞爪形撕裂棱，見圖12-27；
擴展區(qū)形貌主要為沿晶和韌窩混合形貌，見圖12-28；
部分區(qū)域存在準解理斷裂形貌，見圖12-29；
最后斷裂區(qū)微觀形貌為剪切韌窩，見圖12-30。
圖12-27 冰糖狀沿晶斷裂形貌 圖12-28 沿晶和韌窩混合形貌
圖12-29 準解理斷裂形貌 圖12-30 剪切韌窩形貌
（3）金相分析
沿螺栓中心線縱向截取試樣，制成金相試樣，在顯微鏡鏡下觀察螺栓和螺紋的組織。
螺栓的顯微組織為均勻的回火索氏體組織，見圖12-31a；
螺栓表面有0.1mm深的滲碳層，見圖12-31ｂ；
螺紋根部有一條小裂紋，見圖12-31ｃ；
2．4硬度測試
a.回火索氏體組織 b.螺紋滲碳層 c.螺紋根部裂紋
圖12-31（a、b、c） 金相組織
（4）化學成分分析
利用直讀光譜對螺栓的化學成分進行分析，螺栓化學成分檢測結(jié)果符合40Cr鋼技術要求。
（5）硬度測試
按《GB/T3098.1-2000》標準對螺栓進行螺紋根部硬度梯度測試、表面硬度和心部硬度測試結(jié)果，螺紋根部有0.14mm滲碳層，表面硬度不符合要求，螺栓心部硬度雖符合要求，但是總體水平接近硬度上限，有個別點超過硬度上限。
硬度檢測結(jié)果示意圖就12-33。
圖12-33 硬度檢測結(jié)果示意圖
（6）氫含量檢查
對斷裂件進行氫含量檢查, 螺栓氫含量檢測結(jié)果為9.10ppm。
螺栓的化學成分、金相組織、心部硬度等符合螺栓的技術要求，其中表面有0.14mm滲碳層，使表面硬度偏高，而且在螺紋牙底的滲碳層上有小裂紋。
螺栓氫含量檢測結(jié)果偏高，說明螺栓在表面處理過程中有滲氫，而且除氫不充分。
螺栓斷口形貌掃描電鏡分析結(jié)果，螺栓斷口為典型的氫脆斷口，主要原因是螺栓氫含量偏高，在安裝應力作用下發(fā)生氫致延遲斷裂。
氫脆斷裂是機械產(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)部導致?lián)p傷，從而使金屬零件在低于材料屈服極限的靜應力作用下導致的失效。氫脆一般分為三類，即氫致塑性損失、氫誘發(fā)裂紋(或不可逆氫損傷)和應力誘發(fā)氫致滯后斷裂。本文所分析的斷裂螺栓是屬于第三種，應力誘發(fā)氫致滯后斷裂屬于低應力脆斷。它與氫的擴散和凝聚有關，無前兆，具有突發(fā)性。因此氫脆斷裂具有極大的破壞性。
產(chǎn)生氫脆斷裂的情況：
( 1) 氫的滲入。只有氫滲入金屬材料基體才能導致氫脆。 滲入金屬材料中的氫有以下三個來源：鋼在冶煉、焊接及熱處理過程中滲入；在電鍍、酸洗及放氫型腐蝕環(huán)境下滲入；在使用環(huán)境下滲入(如將金屬材料置于高溫氫氣氛中) 。
( 2) 在拉應力作用下發(fā)生氫脆。滲入金屬的氫在濃度梯度作用下擴散而占據(jù)晶體點陣中的孔隙、晶界、空穴、位錯、沉淀相及夾雜物與基體的界面、氣孔等缺陷。在拉應力作用下，氫會產(chǎn)生向缺口根部、微裂紋尖端等局部應力集中區(qū)域擴散，形成氫的高度偏聚，并在這些部位產(chǎn)生氫脆斷裂。
該螺栓表面硬度約為518HV，心部硬度也有430HV，表明螺栓強度高，說明該螺栓對氫脆很敏感。
螺栓斷口宏觀存在光亮區(qū)，微觀存在雞爪痕形貌，螺紋根部的沿晶裂紋，不分叉，這些都是氫脆的典型特征。螺栓在安裝后受拉應力作用，螺紋根部存在應力集中，氫向螺紋根部擴散并聚集，最終使螺栓在此處產(chǎn)生氫脆裂紋而發(fā)生斷裂。
根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：
（1） 螺栓斷裂為氫致延遲斷裂
（2） 螺栓氫致延遲斷裂的主要原因是螺栓氫含量偏高，在安裝應力作用下發(fā)生氫致延遲斷裂。
（3） 12.9級螺栓表面發(fā)黑處理，解決了電鍍滲氫的問題，但是，在加工過程中還要控制酸洗等工序，防止螺栓滲氫。
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