锁紧螺栓失效分析

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。

图1  送检试样宏观形貌

图2  2#螺栓残件裂纹处外表面宏观形貌

图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。

图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。

图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

图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。

图7 断面C1区微观形貌

将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。

图8  2#螺栓残件裂纹打开后宏观形貌

图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A2、B2、C2三个区域进一步描述。

图9  2#螺栓残件断口低倍形貌

图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。

图10 断面A2区低倍形貌

图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。

图11 断面A2区微观形貌

图12 断面A2区能谱分析结果

图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。

图13 断面B2区低倍形貌

图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。

图14 断面B2区微观形貌

图15 断面B2区能谱分析结果

图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。

图16 断面C2区微观形貌

图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。

图18  断口处纵截面金相组织

图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。

图19  断口附近头下圆角表面金相组织

图20所示为断口附近纵截面金相组织，未发现明显的脱碳现象或分支裂纹。

图20  断口附近纵截面金相组织

截取完好件头部纵截面进行金相观察，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）。

图21  完好件头下圆角低倍组织

图22所示为2#螺栓螺纹部位纵截面金相组织，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。

图22  2#螺栓螺纹部位纵截面金相组织

图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。

图23  2#螺栓残件芯部显微组织

图24所示为2#螺栓残件非金属夹杂物形态，根据“GB/T 10561-2005”标准可判定为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

4. 硬度检测

对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。

表1  2#螺栓表芯硬度测试结果

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。

表2  完好螺栓化学成分（%）

对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。

表3  2#螺栓氢含量试验结果

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。