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锁紧螺栓失效分析

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浏览:- 发布日期:2020-03-09 17:20:34【

1. 概述

委托方提供失效锁紧螺栓残件两枚,材质为SCM435,性能等级为12.9级,规格为M18×1.5×25,表面电镀三价蓝白锌。螺栓制造工艺为:材料改制—冷镦成型—热前辗牙—杆部钻孔—热处理—表面处理(电镀及驱氢)。送检螺栓安装于变速器轴端,对轴端进行锁紧固定,安装时使用扭矩枪拧紧,螺栓未涂油,服役过程中出现螺栓断裂现象,委托方要求分析其断裂原因。图1所示为送检试样宏观形貌,将两枚失效螺栓残件分别标记为1#和2#。图2、图3所示为2#失效件裂纹处内外表面宏观形貌,可见裂纹位于头下圆角处,同时头部六角孔内壁可见明显的裂纹,说明裂纹已贯穿头下圆角处整个壁厚。

送检试样宏观形貌

送检试样宏观形貌

螺栓裂纹处表面宏观形貌


2  2#螺栓残件裂纹处外表面宏观形貌

螺栓残件处内表面螺纹情况


3  2#螺栓残件裂纹处内表面宏观形貌

2. 断口分析

图4所示为1#螺栓残件断口低倍形貌,可见断面平整,无明显塑性变形。断口存在明显的撕裂台阶,未发现明显的腐蚀痕迹。将断面分为A1、B1、C1三个区域进一步描述。

螺栓残件断口低倍形貌

4 1#螺栓残件断口低倍形貌


图5所示为A1区微观形貌,可见明显的“冰糖状”沿晶形貌,并伴随晶间二次裂纹,晶面可见“鸡爪”形发纹。靠近六角孔内壁的局部区域可见明显的韧窝形貌,该区域为终断区。

断面A1区形貌


5 断面A1区微观形貌

图6所示为B1区微观形貌,可见明显的“冰糖状”沿晶形貌,并伴随晶间二次裂纹,晶面可见“鸡爪”形发纹。靠近六角孔内壁的局部区域可见明显的韧窝形貌,该区域为终断区。



图6 断面B1区微观形貌

断面B1区微观形貌

7所示为C1区微观形貌,可见明显的韧窝形貌与沿晶形貌并存的混合型形貌。

 

断面C1区微观形貌

断面C1区微观形貌

 

2#螺栓残件沿裂纹处打开,宏观形貌如图8所示,选取下方残件进行断口分析。

 

螺栓常见裂纹打开后宏观形貌

8  2#螺栓残件裂纹打开后宏观形貌

9所示为2#螺栓残件断口低倍形貌,可见断面平整,无明显塑性变形,未发现明显的腐蚀痕迹。将断面分为A2B2C2三个区域进一步描述。

 


 螺栓常见裂纹断口低倍形貌

9  2#螺栓残件断口低倍形貌

 

10所示为A2区低倍形貌断面可见明显的“人”字纹,收敛处指向头下圆角近表面(箭头所示),该区域为断裂起始区。

 

断面A2区低倍形貌

10 断面A2区低倍形貌

11所示为A2区微观形貌,可见明显的“冰糖状”沿晶形貌,并伴随晶间二次裂纹,晶面可见“鸡爪”形发纹。图12所示为A2区能谱分析结果,未发现明显的外来元素。

断面A2区断口微观形貌

11 断面A2区微观形貌

 

断面A2区能谱分析结果

12 断面A2区能谱分析结果

13所示为B2区低倍形貌断面可见明显的“人”字纹,收敛处指向头下圆角近表面(箭头所示),该区域为断裂起始区。

 断面B2区低倍形貌

13 断面B2区低倍形貌

14所示为B2区微观形貌,可见明显的“冰糖状”沿晶形貌,并伴随晶间二次裂纹,晶面可见“鸡爪”形发纹。图15所示为B2区能谱分析结果,未发现明显的外来元素。

断面B2区微观形貌

14 断面B2区微观形貌

断面B2区能谱分析结果

15 断面B2区能谱分析结果

 

16所示为C2区微观形貌,可见明显的“冰糖状”沿晶形貌,并伴随晶间二次裂纹,晶面可见“鸡爪”形发纹。图17所示为C2区能谱分析结果,未发现明显的外来元素。

断面C2区微观形貌

16 断面C2区微观形貌

 

断面C2区能谱分析结果

17 断面C2区能谱分析结果

3. 金相检测

截取2#螺栓残件断口处纵截面进行金相观察,起裂处如图18所示,断口附近头下圆角表面未发现明显的折叠、裂纹等不连续性缺陷。

断口处纵截面金相组织

18  断口处纵截面金相组织

19所示为断口附近头下圆角表面金相组织,未发现脱碳或増碳现象。

 断口附件头下圆角表面金相租组织

19  断口附近头下圆角表面金相组织

 

20所示为断口附近截面金相组织,未发现明显的脱碳现象或分支裂纹。

 

断口处纵横截面金相组织

20  断口附近截面金相组织

截取完好件头部截面进行金相观察,头下圆角处低倍组织如图21所示,头下圆角处未发现明显的折叠、裂纹等不连续性缺陷,圆角半径约为3.1mm,符合委托方提供的图纸技术要求(3.0-4.0mm)。

 

完好头下圆角低倍组织

21  完好件头下圆角低倍组织

 

22所示为2#螺栓螺纹部位截面金相组织,未脱碳层高度E =0.877mm,全脱碳层深度G=0,同时未发现明显的不连续性缺陷,符合委托方提供的图纸技术要求。

螺栓螺纹部位纵截面金相组织

22  2#螺栓螺纹部位截面金相组织

23所示为2#螺栓残件芯部显微组织,为均匀的回火索氏体,无异常。

 

螺栓残件芯部显微组织

23  2#螺栓残件芯部显微组织

 

24所示为2#螺栓残件非金属夹杂物形态,根据“GB/T 10561-2005标准可判定D类球状氧化物(细系)1.5级,无异常。

 

图24 2#螺栓残件非金属夹杂物形态

24  2#螺栓残件非金属夹杂物形态

 

4. 硬度检测

2#螺栓残件进行表芯硬度检测,结果如表1所示,表芯硬度均符合“GB/T 3098.1-2010”标准中关于12.9级螺栓的要求。

 

1  2#螺栓表芯硬度测试结果

  

芯部硬度/HV10

末端表面硬度/HV0.3

标准值

385-435

435,且不得高于芯部硬度30

实测值

402/401/406

405/405/409

 

5. 化学成分分析

采用直读光谱法对完好螺栓进行化学成分分析,结果如表2所示,符合“GB/T JIS G4053:2008”标准中关于SCM435钢的要求。

 

2  完好螺栓化学成分(%

元素

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Ni

标准值

0.33~0.38

0.15~0.35

0.60~0.90

≤0.030

≤0.030

0.90~1.20

0.15~0.30

0.25

实测值

0.33

0.19

0.74

0.013

0.008

0.96

0.19

0.02

 

2#螺栓断口附近取样进行氢含量测试,结果如表3所示,氢含量较低。

3  2#螺栓氢含量试验结果

项目

氢含量/ppm

断裂件

1.1/1.2

6.综合分析

送检螺栓头下圆角尺寸、表面缺陷、显微组织、表芯硬度、化学成分等指标均未发现异常。断口形貌显示,断裂起始于螺栓头下圆角近表面,微观形貌可见大面积的“冰糖状”沿晶形貌,并伴有晶间二次裂纹和晶面“鸡爪”形发纹,具有典型的氢致延迟断裂(氢脆)特征。氢脆是由于氢渗入金属内部而产生损伤,导致零件在低于材料屈服极限的静应力作用下发生的断裂失效。影响零件氢脆敏感性的因素主要有:含氢量、显微组织、强度、硬度及所受应力等。通常零件基体含氢量越高,强度越大,硬度越高,所受应力越大,则越容易诱发氢脆断裂。

本案例中,送检螺栓性能等级为12.9级,强度、硬度较高(通常零件的硬度大于32HRC时就有氢脆倾向),氢含量检测结果显示,失效螺栓断口附近含有1ppm左右的氢,氢含量较低。由于氢脆失效是在氢和应力的共同作用下产生的,存在多个影响因素,只有在各个影响因素的综合作用超过一定临界值时才会发生断裂。螺栓内部的氢一般来源于原材料、表面酸洗、电镀处理和外部环境腐蚀作用。由于螺栓头部内六角孔结构的影响,导致头下圆角处承载面积较小,装配后该处承受的应力水平较高,即使螺栓氢含量较低,仍然可能发生氢脆。

7. 结论

1)送检螺栓的失效模式为氢脆;

2)送检螺栓所检项目均未发现异常;

3)建议螺栓表面处理由电镀锌改为磷化处理。

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