某汽車零件加廠使用我公司原材料SCM435制造螺栓，其制造標準為GB/T5782—2016，力學性能強度級別要求為12.9級。加工工藝主要為：對原材料進行酸洗→加工成螺栓→鍍鋅→裝機載重試驗。在載重試驗過程中螺栓出現(xiàn)斷裂。試驗了4根螺栓，其中兩根出現(xiàn)了斷裂。為了查明螺栓斷裂原因，防止造成嚴重后果，筆者對其進行了失效分析。
對斷裂的兩根螺栓斷口進行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋都是在距離根部第四個或第五個螺牙處起源，向另一面擴展，斷口齊平，與螺栓軸向呈45°角，無塑性變形。屬于脆性斷裂。圖1、圖2所示為斷裂螺栓的宏觀形貌。
圖1 1#斷裂螺栓的宏觀形貌
圖2 2#斷裂螺栓的宏觀形貌
在Olympuss261體視顯微鏡下對斷口進一步觀察，斷面干凈、色澤呈亮灰色、結構粗糙，可觀察到斷裂的起源位于螺栓的近表面應力集中處，裂紋快速擴展區(qū)及剪切唇都明顯可見，具有脆性斷裂的典型特征。圖3所示為螺栓斷口體視顯微形貌。
（a）斷裂1
（b）斷裂2
圖3 螺栓斷口體視顯微形貌
用JSM-IT300掃描電鏡對斷口進行觀察分析，斷1#與斷2#裂紋源位置相同，但裂紋源處并未發(fā)現(xiàn)有非金屬夾雜等其他缺陷，整個斷口都呈沿晶斷裂，屬脆性斷裂。圖4、圖5所示為斷口掃描電鏡形貌。
圖4 1#斷口掃描電鏡形貌
圖5 2#斷口掃描電鏡形貌
用ARL4460直讀光譜儀對4根螺栓進行化學成分分析，螺栓化學成分如表1所示。結果表明，2根失效螺栓化學成分與2根未失效螺栓化學成分基本一致，且都符合標準規(guī)定。
表1 螺栓化學成分（質量分數(shù)） （%）
將1#斷裂螺栓和4#未斷螺栓切據(jù)后加工成金相試樣，用4%硝酸酒精腐蝕，在金相顯微鏡和掃描電鏡下觀察，1#試樣在裂紋源處發(fā)現(xiàn)有微小次生裂紋，呈沿晶斷裂特征。1#和4#螺栓都呈現(xiàn)回火馬氏體組織，馬氏體位向特征明顯，馬氏體板條界和板條內(nèi)部析出大量細小的碳化物顆粒。組織中也存在一定數(shù)量的大顆粒碳化物，該碳化物尺寸在1μm左右，為奧氏體化時未溶碳化物，如圖6、圖7所示。
圖6 1#螺栓次生裂紋形貌和掃描電鏡組織形貌
圖7 4#螺栓掃描組織形貌
將1#斷裂螺栓沿中心縱向剖開（見圖8），在維氏硬度試驗機上進行硬度檢測，結果（見表2）未見異常，符合標準要求。
圖8 1#螺栓硬度檢測部位
表2 1#螺栓硬度檢測結果（HV）
按GB/T10561—2005規(guī)定A法對1#、4#螺栓進行非金屬夾雜物評級。從夾雜物評級中未發(fā)現(xiàn)明顯差異（見表3）。
表3 非金屬夾雜物評 （級）
在1#斷裂螺栓和4#未斷螺栓上取一小段，加工成氫分析試樣。用HTDS氫分析儀測量氫析出曲線圖及含量。結果表明：1#斷裂螺栓氫含量達1.885ppm（1ppm=10-6，下同），而4#未斷裂螺栓氫含量為0.3379ppm。氫析出曲線（見圖9、圖10）都呈現(xiàn)出兩峰，峰值溫度都是300~400℃。1#螺栓第一峰值明顯高于4#螺栓第一峰值。
圖9 1#斷裂螺栓氫析出曲線
圖10 4#未斷螺栓氫析出曲線
（1）化學成分、非金屬夾雜物評級、維氏顯微硬度均符合標準要求，可以排除不是導致螺栓斷裂的原因。
（2）宏觀觀察斷口，斷口與螺栓的軸向呈45°角，說明螺栓在斷裂時受到軸向力和周向力的共同作用；斷口平整無塑性變形，特征明顯，屬于脆性斷裂。
（3）進一步顯微觀察分析：用掃描電鏡觀察，整個斷面都是呈冰糖狀，伴隨著細小二次裂紋，沿晶斷裂形貌，符合脆性斷裂特征。在金相顯微下觀察，斷裂源處裂紋形貌呈鋸齒狀，類似“雞爪”，主裂紋旁伴有次生小裂紋，裂紋尖細，沿晶界擴展；均符合脆性斷裂特征。
（4）氫分析結果表明：1#斷裂螺栓中氫含量為1.885ppm，4#未斷螺栓氫含量為0.3379ppm。斷裂螺栓氫含量遠高于未斷螺栓氫含量。且升溫脫氫曲線表明峰值都在300~400℃，易在材料中擴散、聚集氫。1#斷裂螺栓第一峰值明顯高于4#未斷螺栓第一峰值，說明1#螺栓易造成氫脆。據(jù)此，可以初步判斷螺栓斷裂為氫含量過大造成的氫脆斷裂。
（5）在掃描電鏡下放大到5000倍，10000倍，可以清晰地看到，1#和4#螺栓都是回火馬氏體組織，馬氏體位向特征明顯，大量文獻已經(jīng)證實回火馬氏體屬氫脆敏感組織。在馬氏體板條界和板條內(nèi)部析出大量細小的碳化物顆粒，具備氫聚集條件。據(jù)以上分析，再次證明螺栓斷裂是氫含量過高造成的，屬氫脆斷裂。
（1）通過以上檢測結果和分析，結合螺栓加工工藝，得出螺栓斷裂為氫含量過高造成的氫脆斷裂。這可能是由于螺栓在加工過程中，原材料的酸洗、加工后的鍍鋅增氫造成。
（2）在電鍍或酸洗過程中鋼表面被吸附的氫原子過飽和，使氫滲入鋼中。建議酸洗時縮短酸洗時間以免造成過酸洗，并且在酸洗的過程中應加入緩蝕劑。在鍍鋅前進行去應力和鍍鋅后去氫處理。
參考文獻：略。
