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30CrMnSiNi2A螺栓断裂分析
王永庆
(航天材料工艺研究所 北京100076)
摘 要：材料为30CrMnSiNi2A的一螺栓在正常装配预紧时断裂。经化学分析、宏微观检验，认为，螺栓的断裂系氢脆所致。
主题词：螺栓；断裂；氢脆
1 情况简介
一螺栓产品在装配存放一段时间后，正常预紧时发生断裂(以下称1号螺栓)。取另一预紧后未断裂的同批次螺栓加工成非标准试棒，测得拉伸强度Rb≈320MPa(以下称2号螺栓)，远低于所要求的强度。
该批螺栓为M12双头螺栓，长42mm，表面镀锌。螺栓材料为30CrMnSiNi2A，要求热处理后Rb=1600±100MPa。螺栓的热处理工艺:890±10℃保温5min，油淬;270±10℃保温90min，空冷。螺栓的实际淬火温度为890℃，热水清洗;回火温度为340℃。
2 理化检验
2.1 宏观检验
1号螺栓断在螺纹处，断口洁净，有些区域已磨损。1号和2号螺栓的宏观断口均可分为两部分，其中A区断口光亮，B区有放射状扩散棱线和很小的瞬断区剪切唇，从扩展棱线可以确定，A区先于B区断开，源区在C附近，见图1。1号螺栓断裂源区位于螺纹根部。
图1 宏观断口形貌
2.2 微观分析
利用S440扫描电镜观察断口，1号和2号螺栓断口形貌类似，断裂源区均为沿晶形貌，见图2。晶面上可见“鸡爪状”条纹，见图3。A与B区的分界处形貌见图4，A区均为沿晶形貌，且有“鸡爪状”条纹和二次裂纹；B区为脆性沿晶和韧窝的混合断裂形貌，沿晶形貌的晶面也可见“鸡爪状”条纹和二次裂纹；剪切唇区为细小韧窝，见图5。
图2 源区形貌
图3 晶面“鸡爪状”条纹形貌
图4 A与B两区交界处形貌
图5 剪切唇区韧窝形貌
利用Link能谱分析仪测试源区和沿晶形貌区域，未发现金属基体元素以外的其它腐蚀产物或杂质元素。断口形貌表明螺栓断裂为氢脆所致。
2.3 显微硬度测试
用MVK2H11显微硬度测试仪，测试两螺栓的显微硬度，结果见表1。可见，同批次两螺栓及螺栓的沿晶断裂区和混合断裂区的硬度无甚差别。
2.4 化学成分分析
从螺栓上取样进行化学成分分析，用红外碳硫仪和ICP2AES光谱仪测得的结果见表2。可见，螺栓材料的化学成分符合GJB1951-1994的要求。
2.5 金相检验
从两螺栓上取样进行金相检验。光学显微镜下，两螺栓组织(包括沿晶断裂区和混合断裂区)均为回火马氏体，见图6。
图6 螺栓显微组织 500×
4%硝酸酒精溶液侵蚀
2.6 氢脆断裂特点及螺栓断裂机理分析
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。由于与氢的扩散和凝聚有关，它无征兆，具有突发性。因此氢脆断裂具有极大的破坏性。
产生氢脆断裂必须具备以下三个条件：
(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的氢;在电镀、酸洗及放氢型腐蚀环境下渗入的氢;在使用环境下渗入的氢(如将金属材料置于高温氢气氛中)。
(2)
发生氢脆失效的材料具有氢脆敏感组织。金属材料的组织不同，它的氢脆敏感性不同，当材料具有氢脆敏感性大的组织时，才会发生氢脆。在各种不同的显微组织中，对氢脆敏感性从大到小的一般顺序为马氏体、上贝氏体(粗大贝氏体)、下贝氏体(细贝氏体)、索氏体、珠光体、奥氏体。
(3)
存在拉应力作用。氢脆的作用者是金属材料中的氢。这些氢在浓度梯度的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。在拉应力的作用下，由于氢与局部应力场交互作用，会产生向缺口根部、微裂纹尖端等应力集中区域扩散，形成氢的高度偏聚，并在这些部位产生氢脆断裂。
本失效螺栓硬度约为530HV，换算成洛氏硬度约为51HRC，表明此材料在高强度下使用。螺栓的组织为回火马氏体，是氢脆敏感组织。这些说明该螺栓对氢脆很敏感。
失效螺栓断口和非标准拉伸试棒断口上宏观存在光亮区，微观存在“鸡爪状”形貌，这是氢脆的典型特征。经调查，该螺栓在镀锌过程中没有除氢工序。
对于强度Rb=1600±100MPa的高强钢来说，为防止氢脆，不应该采用镀锌工艺，本批螺栓采用镀锌工艺且未进行除氢，导致材料吸氢。螺栓在安装后存放时受弯矩作用，这将导致螺栓一侧受拉应力，另一侧受压应力，由于螺纹根部存在应力集中，这将使得此处的受力状况更加恶劣。随时间的推移，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，并在预紧过程中发生断裂。由于螺栓的另一侧受到压应力的作用，存放时不会产生氢脆裂纹，故断口最终分为A和B两区。2号试样强度很低，原因是其在进行拉伸试验时已经存在氢脆裂纹。
3 结论
(1)
螺栓断裂性质为脆性断裂，断口形貌主要为沿晶形貌。
(2)
螺栓断裂原因为氢脆。
(3 )建议改进螺栓的处理工艺，避免氢脆。
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