图 1断裂液压扳头的宏观形貌
高压压铸机锁模油缸采用紧固螺栓连接，由于紧固零部件的结构限制，常常采用扳头作为连接液压扭力扳手和螺栓的过渡工具。在一次常规拧紧作业时，液压扳头发生断裂(见图1)。据了解，在发生断裂前，液压扳头已经完成了35根螺钉的紧固工作，在进行第36根螺钉加力时扳头破裂，扳头的孔径为46 mm。根据安装手册，紧固螺栓的规格为M64-10.9级，其紧固扭力为14 400 N·m，实际液压扳手的扭力为14 351 N·m，使用过程符合规范要求，并未过载使用。笔者采用一系列理化检验方法对扳头断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
扳头断口的宏观形貌如图2所示。由图2可知：扳头断裂为2块，各断裂块断口平齐，未见明显宏观塑性变形，断口表面粗糙，呈脆性断裂特征；扳头断口呈结晶状，断面上有明显放射状条纹，并收敛于结构上存在应力集中的方孔拐角处，即为裂纹源，断口呈一次性瞬时断裂特征。
1.2 化学成分分析
在扳头上钻取碎屑，对碎屑进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂扳头的化学成分满足GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对42CrMo钢的要求。
Table 1.断裂扳头的化学成分分析结果
1.3 金相检验
在扳头裂纹源位置截取金相试样，将试样抛光后置于光学显微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：试样中未发现明显非金属夹杂物，根据GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验方法》对非金属夹杂物进行评级，结果为A0.5、B0.5、C0.5、D0.5级，表明材料的纯净度较高。
将试样用4%（体积分数）硝酸乙醇溶液腐蚀，观察其显微组织形貌，结果如图4所示。由图4可知：扳头材料的组织为马氏体，根据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》对材料的原始奥氏体晶粒度进行评级，结果为6级，试样中未发现材料冶金及热处理缺陷等异常组织形貌。
1.4 扫描电镜（SEM）分析
在扳头裂纹源位置制取试样，利用扫描电镜对试样进行分析，结果如图5所示。由图5可知：试样整个断裂面均呈沿晶+韧窝混合断裂特征，沿晶断裂晶面上存在细微撕裂棱，部分晶粒轮廓清晰，且存在二次裂纹，微观形貌符合氢脆断裂特征[1-2]。
为验证扳头材料是否存在晶界弱化现象，在扳头残留试样对试样上制取试样，利用万能试验机对试样进行三点弯曲压断试验，将断口置于扫描电镜下观察，结果如图6所示。由图6可知：整个断口呈解理断裂特征，未发现沿晶断裂特征形貌，由此可以排除扳头材料存在晶界弱化的可能。
1.5 硬度测试
在扳头上取样，对试样进行洛氏硬度测试，扳头试样的硬度测试结果为54，54，54.5 HRC，硬度偏高，不满足技术要求（45~50 HRC）。
2. 综合分析
由上述理化检验结果可知：扳头断口附近无宏观塑性变形，整个断口平齐，表面粗糙，断裂区呈结晶状，断面干净、无腐蚀产物，断裂边缘位置伴有剪切唇，扳头断裂性质为脆性断裂；断口呈沿晶+韧窝断裂特征，在沿晶断裂区域，晶粒轮廓清晰，部分晶面上存在塑性撕裂棱，具有氢脆断裂微观特征；人工断口呈解理断裂特征，未发现沿晶断裂特征形貌，可以排除材料本身晶界弱化的可能；断裂起源于扳头方孔的拐角位置，在结构上存在应力集中。综合上述断裂特征，结合扳头在使用时承受静态工作应力的情况，判断扳头断裂性质为氢致脆性断裂。
根据氢致脆性理论可知，金属是钢中原子之间键合力相互作用的连续体，当钢中部分位置承受的应力大于材料自身的原子键合力时，原子键会断裂，导致原子之间失去相互吸引力，即裂纹开始萌生。研究表明，氢的存在会导致钢内原子键合力减小，当钢中出现氢时，钢内裂纹萌生强度因子会减小[3]。
断裂扳头的氢元素质量分数为0.000 6%。根据实际生产经验，若高强钢中氢元素质量分数小于0.000 2%，则不会发生氢脆现象。但氢脆的产生还与材料强度、化学成分和显微组织等因素有关。在高强钢材料中，氢脆敏感性与材料强度呈正相关，材料的硬度和强度越高，对氢脆的敏感性越大，发生氢脆断裂的临界氢质量分数随着材料强度的升高而急剧减小[4]。
扳头的硬度为54 HRC，换算成强度则大于2 000 MPa，碳元素质量分数为0.41%。根据临界氢质量分数与临界氢应力的回归计算公式，当钢中氢元素质量分数为0.000 6%时，发生氢脆的临界应力为530 MPa，临界应力只有其强度的25%。说明该强度级别的钢在氢含量较低和应力较小的条件下，就可以发生氢脆开裂。
另一方面，氢脆敏感性与材料的显微组织密切相关，根据组织中固溶饱和度和晶体结构的不同，组织对氢脆敏感性从大到小的排序依次为：马氏体、贝氏体、珠光体和奥氏体。扳头材料的组织为马氏体，属于氢脆敏感性最大的组织。
扳头的材料为42CrMo钢，该类钢属于中碳低合金钢。一般采用调质热处理工艺可以使材料具备良好的综合性能。但该扳头的热处理工艺为淬火+低温回火处理，导致扳头的组织为马氏体，马氏体属于未回火或回火不充分组织。材料在该状态下性能表现为强度和硬度较高，塑性和韧性较差。在使用时，材料会出现残余应力大、应力明显集中、组织脆性大、氢脆敏感性高等问题。
综合上述分析，虽然扳头材料中氢含量较低，但其强度较高，组织的氢脆敏感性较大，导致扳头发生断裂。
3. 结论及建议
扳头的热处理工艺不当导致材料强度偏高，组织出现马氏体，最终导致材料发生氢致脆性断裂。
建议在后续生产中，提高回火温度，将材料硬度控制为（45±3） HRC，可以降低材料的氢脆敏感性，避免材料发生断裂。
文章来源——材料与测试网