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圖1 螺栓斷裂位置

1.斷口分析

取失效的螺栓進(jìn)行分析，宏觀看其斷裂位置均發(fā)生在螺栓法蘭根部，斷口平齊，斷口周邊無機(jī)械損傷和塑性變形，如圖2所示。使用掃描電鏡對斷口進(jìn)行檢查，內(nèi)部觀察到較多的缺陷點(diǎn)、沿晶斷裂及“雞爪紋”的特征，如圖3、圖4所示。該螺栓為鍍鋅產(chǎn)品，制造過程中無去氫工藝流程，結(jié)合斷口特征斷定為氫脆斷裂。

圖2   斷口宏觀形貌

圖3   2000×電鏡成像形貌  

圖4    20000×倍電鏡成像形貌

2.失效螺栓的檢查

（1）材料化學(xué)成分檢測

使用光譜儀檢測失效螺栓的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示，化學(xué)成分合格。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）     （%）

（2）硬度檢查

使用洛氏硬度計(jì)檢測失效螺栓，并在同批次螺栓中隨意抽查5件進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 硬度檢測結(jié)果

通過檢測結(jié)果分析，螺栓的硬度比要求值偏高許多；經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)此聯(lián)接螺栓之前存在密封漏油問題，采用的解決方案之一是將螺栓擰緊力矩由25N·m提高到42N·m，更改過程中出現(xiàn)過螺栓自螺紋處斷裂事件，將螺栓的強(qiáng)度等級由8.8級提升到10.9級，規(guī)定硬度值≥32HRC，供應(yīng)商實(shí)際處理的硬度38～43HRC，在提升硬度的同時(shí)未施加去氫工藝，最終導(dǎo)致了批量事故的發(fā)生。

3.原因分析

氫脆就是氫原子進(jìn)入材料內(nèi)部，聚焦在材料缺陷處并引起延遲失效的現(xiàn)象。

（1）氫的產(chǎn)生

螺栓表面鍍彩鋅，在電鍍過程中螺栓作為陰極，吸附溶液中的金屬正離子，同時(shí)也會吸附水電離后生產(chǎn)的H+離子，氫離子很小，可以穿透金屬原子間隙向金屬內(nèi)部浸入。

（2）氫的浸入

螺栓是冷擠壓成形，在加工過程中內(nèi)部產(chǎn)生大量位錯，晶界有變形開裂現(xiàn)象；在本例中螺栓回火溫度為480℃，調(diào)質(zhì)后的硬度偏高，內(nèi)部仍舊存在大量缺陷，為氫的快速浸入與吸附集聚創(chuàng)造了有利條件。

（3）氫脆條件

螺栓的工作溫度最高可以達(dá)到275℃，利于其內(nèi)氫原子的擴(kuò)散和聚集，形成氫氣后在高溫下體積膨脹，在材料內(nèi)部形成了極高的內(nèi)壓，促使在材料缺陷處形成裂紋并極快擴(kuò)展，使螺栓瞬間斷裂。

4.采取措施

（1）增加去氫工藝

在電鍍后1h內(nèi)進(jìn)行去氫，工藝規(guī)范為200℃×2h，此時(shí)氫原子主要集聚在金屬表面，合成氫氣后在高溫下利于排出。本案例中發(fā)現(xiàn)螺栓存在氫脆時(shí)，產(chǎn)品電鍍已經(jīng)放置超過30天，氫原子完全滲入了金屬內(nèi)部，已經(jīng)不能施行去氫工藝。庫存螺栓全部報(bào)廢，裝車螺栓全部需要更換。

（2）變更硬度的范圍與電鍍工藝

螺栓硬度原要求≥32HRC，現(xiàn)更改為32～38HRC，控制螺栓硬度上限，提高調(diào)質(zhì)回火溫度，降低材料內(nèi)部缺陷及內(nèi)應(yīng)力；改鍍彩鋅為鍍鋅鎳合金，以提高鍍層耐高溫性、耐蝕性，同時(shí)降低氫脆敏感性。

5.結(jié)語

高強(qiáng)度螺栓多應(yīng)用在重要的聯(lián)接位置，因氫脆發(fā)生斷裂通常沒有征兆，后果會十分嚴(yán)重。當(dāng)螺栓等級大于8.8級時(shí)，電鍍后均要求去氫處理，此批螺栓硬度要求的變更時(shí)設(shè)計(jì)人員在提高螺栓硬度后并未考慮到電鍍的影響，致使發(fā)生嚴(yán)重批量事故。