焊钉氢脆断裂失效分析

采用Q195钢制作的焊钉，在安装时应用镦铆工艺把焊钉安装到槽钢上，起到与槽钢连接的作用，安装后在使用过程中部分焊钉发生断裂。

15.5.1 试验过程与结果

   对安装过程与故障件进行检查：

焊钉镦铆安装在槽钢上，焊钉安装好的完整件，如图15-29。

部分镦铆安装在槽钢上的焊钉，在使用过程中发生断裂，焊钉断裂件的宏观形貌，见图15-30。

图15-29 完好焊钉宏观形貌            图15-30 断裂焊钉宏观形貌      

断裂焊钉宏观检查：焊钉断裂部位在焊钉头部台阶位，如图15-31虚线所示处。

断口平整，整个断面呈深灰色，无可见塑性变形，断面有明显解理棱线，呈脆性断裂特征，断口边缘有明显锈蚀痕迹（图中园圈处），断口宏观形貌见图15-32。

图15-31 焊钉断裂位置示意图             图15-32  断口宏观形貌

在扫描电镜下观察断口形貌，断口低倍观察，断裂源位置在图中圈处，对应于图15-20中的锈蚀（园圈处）处，判断为焊钉头部台阶处断裂前就存在锈蚀，断口低倍形貌如图15-33。

断口其他区域的微观形貌为扇形解理形貌，见图15-34。

图15-33  断口低倍形貌               图15-34 断口微观形貌

取未安装的焊钉对倒角处（安装断裂处）进行检查：焊钉未安装时倒角处未发现有折叠和其他缺陷,如图15-35（a、b、c）所示。

取安装后的焊钉对倒角处（安装断裂处）进行检查：焊钉安装后倒角处存在明显的折叠情况，安装后焊钉倒角处形貌，见图15-36（a、b、c）。

焊钉倒角处存在明显折叠，见图15-36 a中园圈处；

对图15-36 a中园圈处的折叠进行放大，放大形貌见图15-36 b。

对图15-36 b进行金相组织检查，发现焊钉在安装镦铆时倒角处产生了折叠，见图15-36 c。

沿焊钉断裂面纵向剖开制成金相试样，进行金相组织检查观察，焊钉的显微组织为铁素体，及少量沿铁素体晶界分布的珠光体，见图15-37。

图15-37 焊钉显微组织

用直读光谱法对焊钉进行材料化学成分分析，成分分析结果，符合Q195成分要求。

15.5.2  分析与讨论

焊钉化学成分和显微组织均符合要求。焊钉的显微组织为铁素体及少量沿铁素体晶界分布的珠光体，组织未见异常。

焊钉断裂部位在焊钉的头部台阶位置，断口平整，整个断面呈深灰色，附近无明显塑性变形，断面可见明显的解理棱线，表现为脆性断裂特征。

焊钉的倒角处形貌检查，焊钉在未安装前倒角呈圆弧形，未发现有折叠和其他缺陷,；安装后倒角呈尖角形，为应力集中处，产生了折叠裂纹，折叠是在安装镦铆时产生的。

部分有折叠裂纹的焊钉，在使用过程中受到腐蚀而显示出严重的锈蚀，在应力作用下，锈蚀处的折叠裂纹不断扩展最终断裂。

在扫描电镜下观察，断口的断裂源为锈蚀处，说明焊钉受到应力腐蚀的作用，锈蚀处的折叠裂纹在持续的载荷下，不断扩展最终脆性断裂。

15.5.3  结论与启示

（1）焊钉断裂的原因是应力腐蚀脆性断裂。

（2）产生脆性断裂的原因是焊钉安装时在台阶倒角处产生了折叠裂纹，折叠裂纹处受到腐蚀而显示出严重的锈蚀，在持续的载荷下应力腐蚀脆性断裂。

（3）要制定合适的焊钉镦铆安装工艺，防止在镦铆安装时产生镦铆折叠裂纹。

（4）焊钉在使用过程中要避免接触腐蚀介质，防止产生应力腐蚀断裂。