张秀丽 李志强 刘振华 高卫红 史婷婷
石家庄海山实业发展总公司 050208
摘要：本文通过对失效螺栓及同批次的零件进行理化分析和无损检测。对断裂件进行了宏观、微观断口观察、金相组织检查、硬度、化学成分、破坏拉力等一系列试验，经分析找出螺栓失效原因，并提出预防措施。
关键词：螺栓 断裂 回火脆化
螺栓作为飞机上重要的紧固件，其发生断裂危害较大。我厂修理过程中使用的螺栓主要为M4、M5、M6、M8和M10等规格，然而在某产品装配和停放过程中，某批次30CrMnSiA M8的螺栓先后发生脆性断裂。引起工厂高度重视，因为螺栓发生脆断，不论是氢脆断裂，还是热处理造成的脆性断裂大都与“批次性”问题有关，涉及数量多，危害大，组织专业人员对螺栓在装配过程中及装配一段时间后发生断裂的原因进行了分析，并对后续的预防工作，提出了建议和方案。
1 宏观、微观检查
对断裂螺栓进行宏观观察：发现断裂位置接近于第一扣螺纹处见（图1）。断裂处螺纹表面未发现有明显的机械接触痕迹，如压坑、啃刀、划伤等表面缺陷，也未发现热处理表面烧蚀痕迹、螺纹变形等现象，没有局部麻点、剥蚀等缺陷。断裂螺栓螺纹牙底呈线性起源，放射棱线粗大，断口附近无明显宏观塑性变形，断口齐平，呈暗灰色，断面粗糙，具有金属光泽（图2）。
图1断裂螺栓 图2螺栓断口 图3 螺栓整体形貌
对裂纹断口进行观察，断口特征呈现以沿晶为主＋韧窝的混合断裂形貌，且断口源区未见冶金和加工等产生的缺陷。
对同批次的螺栓抽样进行了磁粉检测，在螺纹的根部没有发现表面或近表面裂纹，对螺栓进行X射线检测，也没有发现内部缺陷。同批螺栓见图3。
2 材质检验
2.1成份分析
抽取同批次的螺栓去掉镀层后制取化学粉末，采用碳、硫联合测定仪对碳、硫含量进行了检测，利用QSN750光谱仪对其它元素进行了检测，结果见(表1)，螺栓的化学成分符合技术要求，但含碳量较高。
表1 化学成份检测结果表
2.2 金相分析
在靠近断口位置切取金相试样，镶嵌、磨抛、腐蚀后，显微镜对试样进行组织观察，螺栓显微组织为较粗大的回火马氏体（图4）。
图4 回火马氏体 图5a 断口形貌 图5b断口形貌
3 试验
3.1 性能试验
对故障螺栓及同批次螺栓进行洛氏硬度测定，其值为（37～40.5）HRC，进行换算以后，故障螺栓和同批次螺栓强度大致相当，换算所得平均抗拉强度值均在1240MPa左右，其制造技术规定要求（1175±100）MPa。
对其同批次的3个螺栓进行破坏拉力试验，结果表明，螺栓的平均破坏载荷为45.90KN，由此计算得出，螺栓材料的平均抗拉强度为1250MPa,该结果与显微硬度及洛氏硬度检测换算所得的平均抗拉强度值基本一致。
对破坏拉力试验断口进行宏观观察，断口宏观特征见（图5），断裂起源于螺纹根部，在螺栓断裂源区的另一侧未存在明显剪切唇特征的瞬断区。而断口中部宏观上呈现闪光小刻面特征。
图7断口源区低倍形貌 图8a微观形貌 图8b微观形貌
3.2模拟试验
为使螺栓的断裂性质得以确认，对同批次螺栓按照GJB715.12《紧固件试验方法·应力持久》、GB/T3098.17《紧固件机械性能 检查氢脆用预载荷试验 平行支承面法》进行模拟试验。
3.3 试验结果
模拟试验结果根据有关标准评定（GB/T3098.17-2000、GJB715.12-90 、HB5067-85），5根平行试样中有1根及以上出现裂纹或断裂时间小于规定的200h，认为其氢脆性能不合格。 实际模拟实验中，1根螺栓在不到200h时，发生了断裂。
4 对实验结果进行分析讨论
4.1螺栓断裂性质分析
螺栓断口形貌比较平齐，无明显宏观塑性变形，有放射花样：断口微观上呈以沿晶为主的脆性断裂特征，且晶面上可见鸡爪痕；显微裂纹呈断续而曲折的锯齿状；断裂部位位于螺纹齿底，存在明显的应力集中；失效件在工作时，其应力主要是静拉伸应力。可能是在应力下的氢致脆性断裂。
4.2 断裂原因分析
一般的合金钢材质，产生沿晶断裂的原因大致可分为四类[1]：第一，晶界上存在脆性沉淀相引起的沿晶断裂；第二，淬火钢在回火时造成的回火脆性；第三，金属的过热过烧；第四，环境引起的沿晶侵蚀作用。
从断口特征来看，该批次螺栓应存在回火脆化现象。回火脆化对于氢致脆性断裂起着明显的促进作用（回火脆化程度较小，回火脆化和氢脆为线性相加；回火脆化程度较大，回火脆化将大大加剧氢脆程度[2]。）。也就是说，回火脆化将降低材料发生氢致脆性断裂的氢含量门槛值。因此，失效螺栓即使氢含量较低，也能发生氢致脆性断裂，其主要原因是由于螺栓存在一定程度的回火脆化。
30CrMnSiA材料为中高强度钢，其自身存在一定的氢脆敏感性，且试验结果表明，螺栓的化学成分中C含量偏上限，C元素含量过高一方面使得材料的强度增加，另一方面还会促进S、P等元素对氢脆的危害性，从而使得材料对氢脆敏感性增加。同时，粗大的马氏体组织也增加了材料的氢脆敏感性。
5 分析结论
30CrMnSiA螺栓在装配一段时间后，发生断裂。通过断口宏观、微观检查、硬度和化学成分检测、破坏拉力试验、X射线检测等，确定了螺栓断裂性质和原因。结果表明，螺栓断裂原因是由于该批次螺栓存在一定程度的回火脆化，加之螺栓材质C元素含量偏高，马氏体组织较粗大，提高了螺栓材料的抗拉强度，增加了材料发生氢脆断裂的敏感性，最终导致螺栓的脆性断裂。
螺栓发生氢致脆性断裂，其原因不一定由于氢含量过高，而主要是由于该批次螺栓存在一定程度的回火脆化，加之螺栓材质C元素含量偏高和马氏体组织较粗大，提高了螺栓材料的强度，降低了氢脆断裂的临界应力极限σH，使氢脆敏感性显著增加，最终导致螺栓发生氢致脆性断裂。
6 预防措施
为把事后处理变为事前预防，建议在除氢处理后增加螺栓的氢脆敏感性试验。
氢脆断裂的现象，属于批次性问题。而螺栓在整个生产过程中，只在热处理工序后有一个拉伸试验，测定螺栓的破坏拉力，这只检测了螺栓性能的指标之一。因此建议正在除氢处理后增加氢脆敏感性试验，即进行螺栓应力持久试验，可有助于预防在使用中发生氢致脆性断裂。
参考文献：
1.催约贤，王长利.金属端口分析.哈尔滨工业大学出版社，1998。
2.华丽，徐宏，朱奎龙，等.2.25Cr—1Mo钢回火脆化对氢脆的影响[J].机械工程材料，200428（2）:17—20。