汽车底座六角头螺栓失效分析

某发动机底座六角头螺栓，强度为12.9级，规格为M12×30，材料为40Cr钢，螺栓表面发黑处理; 螺栓安装后在第二天就发生了断裂。

（1）宏观检查

六角头螺栓断裂件，宏观形貌见图12-25。

螺栓断裂位置为螺纹部分，断口平直，断面结构粗糙，断口附近无宏观塑性变形，整个断面呈深灰色，其上可见多个银白色亮区，见图12-26。

   图12-25 断裂螺栓宏观形貌  

图12-26 断口宏观形貌

（2）微观分析

在扫描电镜下观察断口形貌，裂源区微观形貌均为冰糖状沿晶断裂，晶面上存在大量的鸡爪形撕裂棱，见图12-27；

扩展区形貌主要为沿晶和韧窝混合形貌，见图12-28；

部分区域存在准解理断裂形貌，见图12-29；

最后断裂区微观形貌为剪切韧窝，见图12-30。

图12-27 冰糖状沿晶断裂形貌            图12-28 沿晶和韧窝混合形貌

图12-29 准解理断裂形貌                图12-30 剪切韧窝形貌

（3）金相分析

沿螺栓中心线纵向截取试样，制成金相试样，在显微镜镜下观察螺栓和螺纹的组织。

螺栓的显微组织为均匀的回火索氏体组织，见图12-31a；

螺栓表面有0.1mm深的渗碳层，见图12-31ｂ；

螺纹根部有一条小裂纹，见图12-31ｃ；

2．4硬度测试

a.回火索氏体组织           b.螺纹渗碳层              c.螺纹根部裂纹

图12-31（a、b、c） 金相组织

（4）化学成分分析

利用直读光谱对螺栓的化学成分进行分析，螺栓化学成分检测结果符合40Cr钢技术要求。

（5）硬度测试

  按《GB/T3098.1-2000》标准对螺栓进行螺纹根部硬度梯度测试、表面硬度和心部硬度测试结果，螺纹根部有0.14mm渗碳层，表面硬度不符合要求，螺栓心部硬度虽符合要求，但是总体水平接近硬度上限，有个别点超过硬度上限。

硬度检测结果示意图就12-33。

图12-33  硬度检测结果示意图

（6）氢含量检查

对断裂件进行氢含量检查, 螺栓氢含量检测结果为9.10ppm。

螺栓的化学成分、金相组织、心部硬度等符合螺栓的技术要求，其中表面有0.14mm渗碳层，使表面硬度偏高，而且在螺纹牙底的渗碳层上有小裂纹。

螺栓氢含量检测结果偏高，说明螺栓在表面处理过程中有渗氢，而且除氢不充分。

螺栓断口形貌扫描电镜分析结果，螺栓断口为典型的氢脆断口，主要原因是螺栓氢含量偏高，在安装应力作用下发生氢致延迟断裂。

氢脆断裂是机械产品失效机理中比较常见的一种,它是由于氢渗入金属内部导致损伤，从而使金属零件在低于材料屈服极限的静应力作用下导致的失效。氢脆一般分为三类，即氢致塑性损失、氢诱发裂纹(或不可逆氢损伤)和应力诱发氢致滞后断裂。本文所分析的断裂螺栓是属于第三种，应力诱发氢致滞后断裂属于低应力脆断。它与氢的扩散和凝聚有关，无前兆，具有突发性。因此氢脆断裂具有极大的破坏性。

产生氢脆断裂的情况：

( 1) 氢的渗入。只有氢渗入金属材料基体才能导致氢脆。 渗入金属材料中的氢有以下三个来源：钢在冶炼、焊接及热处理过程中渗入；在电镀、酸洗及放氢型腐蚀环境下渗入；在使用环境下渗入(如将金属材料置于高温氢气氛中) 。

( 2) 在拉应力作用下发生氢脆。渗入金属的氢在浓度梯度作用下扩散而占据晶体点阵中的孔隙、晶界、空穴、位错、沉淀相及夹杂物与基体的界面、气孔等缺陷。在拉应力作用下，氢会产生向缺口根部、微裂纹尖端等局部应力集中区域扩散，形成氢的高度偏聚，并在这些部位产生氢脆断裂。

该螺栓表面硬度约为518HV，心部硬度也有430HV，表明螺栓强度高，说明该螺栓对氢脆很敏感。

螺栓断口宏观存在光亮区，微观存在鸡爪痕形貌，螺纹根部的沿晶裂纹，不分叉，这些都是氢脆的典型特征。螺栓在安装后受拉应力作用，螺纹根部存在应力集中，氢向螺纹根部扩散并聚集，最终使螺栓在此处产生氢脆裂纹而发生断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1） 螺栓断裂为氢致延迟断裂

（2） 螺栓氢致延迟断裂的主要原因是螺栓氢含量偏高，在安装应力作用下发生氢致延迟断裂。

（3） 12.9级螺栓表面发黑处理，解决了电镀渗氢的问题，但是，在加工过程中还要控制酸洗等工序，防止螺栓渗氢。