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40CrNiMoA螺栓氢脆断裂失效分析

2016-12-09  

摘要:本文对40CrNiMoA螺栓氢脆异常断裂试样断口的宏观形貌、微观形貌、金相组织、硬度、化学成分等进行了分析,确定了该螺栓的异常断裂原因,并提出了相应的改进措施。

 

关键词:氢脆;宏观形貌;微观形貌;金相组织;硬度;化学成分

 

1 引言

40CrNiMoA合金结构钢,是一种优良的调质钢,具有很好的淬透性。具有较高的疲劳强度和低的缺口敏感性,低温冲击韧性也很高,无明显的回火脆性。用于制作高强度,高韧性的零件,在航空标准件产业中具有广泛的应用。某厂生产的某型号40CrNiMoA螺栓,在进行氢脆实验时发生异常断裂,致使该批次的成品螺栓判废。

 

2 试验过程及结果

2.1 加工现场调查

该螺栓的加工流程:热镦→车削→去凸头→铣工→去毛刺→热处理(淬火:盐浴炉,温度为850℃,保温18min,油冷;回火:碱槽,温度为535℃,保温40min,水冷。)→吹砂→无心磨→滚螺纹→无心磨→去毛刺→探伤→终检→镀锌(除氢温度:180℃~200℃,除氢时间:12h)。现场调查结果表明,该批产品进行过返镀。

 

2.2 试验设备及环境检查

该螺栓进行以下各项试验的设备及环境均符合实验要求。

 

2.3 断口观察

将该断裂螺栓的断口进行超声波清洗之后,置于JSM-5000型扫描电子显微镜下进行观察。断口低倍形貌如图1所示,可见,在断口附近无宏观塑性变形,断口平齐,色泽为亮灰色,断面干净,无腐蚀产物,且在断口上可观察到白点,断裂区呈结晶颗粒状。为脆性断口。

 

失效分析

图1 断口低倍形貌 X20

 

在500X下和2000X观察为多面体冰糖块状沿晶断裂特征,如图2和图3所示,

 

失效分析 失效分析
图2 断口高倍形貌 500X 图3 断口高倍形貌 2000X

 

可见,断口的晶面平坦,无附着物,并可见白亮的、不规则的细亮条,并存在鸡爪形的撕裂棱和韧窝。

 

2.4 金相分析

将断裂螺栓进行金相取样,经镶嵌,磨抛后,利用ZEISS PHOTNEO 32型高级金相显微镜进行观察,基体的脆性夹杂物和塑性夹杂物之和小于1.0级。将磨抛后的试样用4%的硝酸酒精溶液腐蚀,利用高级金相显微镜进行观察,螺栓整体组织为回火索氏体组织,见图4,图5。

 

失效分析 失效分析
图4 螺栓基体组织 200X 图5 断口组织 200X

 

2.5 化学成分分析

对断裂的螺栓取样,通过CS-444碳硫分析仪和IRIS Advantage全谱直读电感耦合等离子体光谱仪进行化学成分检验,结果见表1。

 

表1 断裂螺栓材料的化学成分(质量分数/%)

元素 C S Mn Si Cr Ni
技术要求 0.36~0.44 ≤0.025 0.50~0.80 0.17~0.37 0.60~0.90 1.25~1.75
检测结果 0.42 0.00064 0.69 0.30 0.79 1.54
元素 Mo P W Cu V Ti
技术要求 0.15~0.25 ≤0.025 ≤0.20 ≤0.25 ≤0.05 ≤0.03
检测结果 0.19 0.010 0.012 0.087 0.019 0.020

 

可见断裂螺栓以上各元素含量均符合材料技术条件要求。

采用EF-400氢测氢仪对断裂螺栓进行氢含量检测,结果(质量分数)为0.0011%。对与该螺栓同炉批的原材料取样进行氢含量检测,结果(质量分数)为0.0002%。

 

2.6 硬度测试

采用CLC-200R型洛氏硬度计测定其硬度,测试位置为螺栓中心到边缘,结果为:36.5HRC~38HRC。符合相关技术条件要求(35HRC~41HRC)。

 

3 分析与讨论

3.1 断裂性质分析

螺栓断口附近无塑性变形,断口的晶面平坦,无附着物,并可见白亮的、不规则的细亮条,并存在鸡爪形的撕裂棱和韧窝。属于典型的氢脆沿晶断裂特征。

 

3.2 断裂原因分析

氢脆是螺纹紧固件的失效模式之一,经过表面镀覆的高强度螺纹紧固件尤其容易发生氢脆。该螺栓的强度为1100MPa,属于高强度螺栓,其氢含量达到0.0011%,易造成氢脆现象。

产生氢脆断裂的渗氢原因主要有三种:①热处理过程中渗入的氢;②在电镀、酸洗过程中产生的氢;③在使用环境下渗入的氢。

根据实际情况调查,该炉批的材料在热处理时充氩气保护,无氢元素的引入,且刚生产的螺栓尚未出厂使用,不存在含氢的使用环境,故可以排除①和③两种引起渗氢的原因。而实际加工过程中的酸洗和电镀就成了渗氢的来源。

该批螺栓在酸洗后立即进行了除氢处理,且酸洗造成的渗氢量很小,故在验证试验时取酸洗并除氢后的零件进行氢含量检测时,其结果为0.0002%。故可排除是由酸洗引起的渗氢。

在该批螺栓的镀锌过程中,由于第一次表面效果不理想,又立即进行了返镀,返镀使其本该的除氢工序延后,且返镀后的除氢时间只有3h,故未将渗入的氢除干净,从而产生了氢脆现象。

 

3.3 验证试验

使用和该螺栓同炉批的原材料按照相同工艺规程加工成成品螺栓,镀锌后再进行除氢,时间为24h,再进行氢脆试验,没有再出现异常断裂,各项指标均符合相关技术条件要求。

 

4 结论

该项螺栓的断裂性质为氢脆断裂。螺栓发生氢脆断裂是镀锌后除氢不完全造成的。

 

5 改进措施

通过以上分析可得,该螺栓的异常断裂是由渗氢引起的氢脆断裂。因此,只要尽量避免氢的渗入,就可以避免氢脆断裂现象。鉴于此种情况,可以采取以下预防措施:

①在技术条件和加工允许的情况下,尽量避免酸洗;

②如果不能避免酸洗工序,酸洗后应尽快按照工艺要求进行除氢处理;

③在电镀后,严格按照工艺要求进行除氢处理。必要时需延长除氢时间。

 

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