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緊固件斷裂宏觀金相分析

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瀏覽:- 發(fā)布日期:2020-07-28 16:02:02【

10.9級六角頭螺栓,規(guī)格為M16×1.5×60,表面電鍍鋅處理,呈黃色。該螺栓為汽車方向機(jī)支架螺栓,在安裝運(yùn)行一段時(shí)間后斷裂。

螺栓斷裂件自螺栓頭下圓角處斷裂,如圖12-59所示。

螺栓斷口處未見明顯塑性變形和機(jī)械擦傷,但支撐面有摩擦痕跡;宏觀觀察斷口表面,其斷口結(jié)構(gòu)較粗糙呈顆粒狀,色澤偏亮灰色,局部區(qū)域已被銹蝕,如圖12-60所示。

圖12-59 斷裂件宏觀形貌 圖12 -60斷口宏觀形貌

圖12-59 斷裂件宏觀形貌               圖12 -60斷口宏觀形貌

(1)微觀分析

螺栓斷口用超聲波清洗后掃描電鏡觀察,斷口低倍形貌見圖12-61。

斷口裂紋的起源處為沿晶斷裂,斷口呈冰糖狀斷口,斷口晶面平坦,沒有明顯的附著物,伴有白亮的不規(guī)則細(xì)亮條紋和二次裂紋,局部可見雞爪痕,如圖12-62所示;斷口的擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)解理形貌伴有少量韌窩,如圖12-63所示。

圖12-61 斷口低倍形貌 圖12-62 裂紋起源處微觀形貌

圖12-61  斷口低倍形貌                 圖12-62  裂紋起源處微觀形貌

圖12-63 擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌。


                   圖12-63   擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌。



(2)化學(xué)成分分析

采用光譜儀對斷裂螺栓進(jìn)行成分檢測,檢測結(jié)果符合《GB/T3077- 1999》標(biāo)準(zhǔn)對20MnTiB鋼成分要求,

(3)硬度檢測

將螺栓斷口附近截下進(jìn)行硬度梯度試驗(yàn)。硬度梯度試驗(yàn)是橫向從螺栓表面開始沿軸向打維氏硬度,表面硬度450HV,沿橫截面方向向內(nèi)的硬度逐漸降低,心部硬度為380HV。

(4)金相檢查

螺栓斷口附近取樣制成金相試樣,金相組織為回火索氏體組織,如圖12-64所示;螺栓表面有0.18mm左右的滲碳層,如圖12-65所示。

圖12-64 斷裂螺栓金相組織圖12-65 螺紋表面滲碳組織

圖12-64 斷裂螺栓金相組織                圖12-65 螺紋表面滲碳組織

(5)氫含量的測定

在螺栓斷口附近和螺栓心部取樣進(jìn)行氫含量測定,測氫儀測定氫含量結(jié)果:

斷口附近氫含量14.1 ppm,心部氫含量5.2 ppm。

故障螺栓的化學(xué)成分滿足《GB/T3077-1999》標(biāo)準(zhǔn)的要求;硬度梯度試驗(yàn)表明螺栓表面硬度高,為450HV,心部硬度為380HV,說明螺栓存在表層硬化現(xiàn)象,金相組織檢查,螺栓表面表面有滲碳層,所以,螺栓表面硬度比心部高的多。

氫含量檢測,螺栓斷口附近表面氫含量相當(dāng)高。

該螺栓為10.9級高強(qiáng)度螺栓,通常高強(qiáng)度的材料比強(qiáng)度等級低的材料氫脆敏感性大,裂紋擴(kuò)展速率也大。而螺栓表面由于滲碳層的存在,使得螺栓表面硬度高塑性差。在斷裂件中測得的氫含量高達(dá)14.1ppm,為氫脆斷裂的發(fā)生提供了條件。

螺栓斷口沒有明顯的塑性變形,微觀形貌中的冰糖塊晶粒形狀,以及晶面上的雞爪痕等是氫脆的典型形貌。

該螺栓在制造過程中經(jīng)過了酸洗和電鍍鋅,螺栓在這兩道工藝過程中造成較多的氫滲入,在后期處理中,滲入螺栓的氫沒有完全去除,而且氫滯留在螺栓內(nèi)的氫含量較高。在應(yīng)力的作用下較高氫含量的氫容易向應(yīng)力集中的部位聚集,應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋,在應(yīng)力和氫的共同作用下裂紋擴(kuò)展,螺栓開裂最后斷裂失效。

根據(jù)以上分析,可以得出如下結(jié)論與啟示:

(1)螺栓的斷裂性質(zhì)是氫致脆性斷裂。

(2)螺栓熱處理滲碳使表面硬度增高,也使螺栓脆性增加。

(3)螺栓在酸洗和電鍍鋅時(shí)有氫滲入,滲氫后沒有及時(shí)除氫,造成螺栓存在氫脆危險(xiǎn)性。

(4) 螺栓在熱處理時(shí)不要人為滲碳,一定要按工藝進(jìn)行熱處理防止?jié)B碳和脫碳。

(5)高強(qiáng)度螺栓最好不要進(jìn)行酸洗和電鍍鋅,可采用吹砂、清洗后熱浸鋅,防止氫滲入。

(6)高強(qiáng)度螺栓一定要防止酸洗;如果要鍍鋅,最好采用吹砂或其他清洗方法,電鍍鋅后一定要及時(shí)除氫。

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