400-850-4050

40CrNiMoA螺栓氫脆斷裂失效分析

2016-12-09  瀏覽量:1732

摘要:本文對40CrNiMoA螺栓氫脆異常斷裂試樣斷口的宏觀形貌、微觀形貌、金相組織、硬度、化學成分等進行了分析,確定了該螺栓的異常斷裂原因,並提出了相應的改進措施。

 

關鍵詞:氫脆;宏觀形貌;微觀形貌;金相組織;硬度;化學成分

 

五十路

40CrNiMoA合金結構鋼,是壹種優良的調質鋼,具有很好的淬透性。具有較高的疲勞強度和低的缺口敏感性,低溫沖擊韌性也很高,無明顯的回火脆性。用於制作高強度,高韌性的零件,在航空標準件產業中具有廣泛的應用。某廠生產的某型號40CrNiMoA螺栓,在進行氫脆實驗時發生異常斷裂,致使該批次的成品螺栓判廢。

 

2 試驗過程及結果

2.1 加工現場調查

該螺栓的加工流程:熱鐓→車削→去凸頭→銑工→去毛刺→熱處理(淬火:鹽浴爐,溫度為850℃,保溫18min,油冷;回火:堿槽,溫度為535℃,保溫40min,水冷。)→吹砂→無心磨→滾螺紋→無心磨→去毛刺→探傷→終檢→鍍鋅(除氫溫度:180℃~200℃,除氫時間:12h)。現場調查結果表明,該批產品進行過返鍍。

 

2.2 試驗設備及環境檢查

該螺栓進行以下各項試驗的設備及環境均符合實驗要求。

 

2.3 斷口觀察

將該斷裂螺栓的斷口進行超聲波清洗之後,置於JSM-5000型掃描電子顯微鏡下進行觀察。斷口低倍形貌如圖1所示,可見,在斷口附近無宏觀塑性變形,斷口平齊,色澤為亮灰色,斷面幹凈,無腐蝕產物,且在斷口上可觀察到白點,斷裂區呈結晶顆粒狀。為脆性斷口。

 

失效分析

圖1 斷口低倍形貌 X20

 

在500X下和2000X觀察為多面體冰糖塊狀沿晶斷裂特征,如圖2和圖3所示,

 

失效分析失效分析
圖2 斷口高倍形貌 500X圖3 斷口高倍形貌 2000X

 

可見,斷口的晶面平坦,無附著物,並可見白亮的、不規則的細亮條,並存在雞爪形的撕裂棱和韌窩。

 

2.4 金相分析

將斷裂螺栓進行金相取樣,經鑲嵌,磨拋後,利用ZEISS PHOTNEO 32型高級金相顯微鏡進行觀察,基體的脆性夾雜物和塑性夾雜物之和小於1.0級。將磨拋後的試樣用4%的硝酸酒精溶液腐蝕,利用高級金相顯微鏡進行觀察,螺栓整體組織為回火索氏體組織,見圖4,圖5。

 

失效分析失效分析
圖4 螺栓基體組織 200X圖5 斷口組織 200X

 

2.5 化學成分分析

對斷裂的螺栓取樣,通過CS-444碳硫分析儀和IRIS Advantage全譜直讀電感耦合等離子體光譜儀進行化學成分檢驗,結果見表1。

 

表1 斷裂螺栓材料的化學成分(質量分數/%)

元素CSMnSiCrNi
技術要求0.36~0.44≤0.0250.50~0.800.17~0.370.60~0.901.25~1.75
檢測結果0.420.000640.690.300.791.54
元素MoPWCuVTi
技術要求0.15~0.25≤0.025≤0.20≤0.25≤0.05≤0.03
檢測結果0.190.0100.0120.0870.0190.020

 

可見斷裂螺栓以上各元素含量均符合材料技術條件要求。

采用EF-400氫測氫儀對斷裂螺栓進行氫含量檢測,結果(質量分數)為0.0011%。對與該螺栓同爐批的原材料取樣進行氫含量檢測,結果(質量分數)為0.0002%。

 

2.6 硬度測試

采用CLC-200R型洛氏硬度計測定其硬度,測試位置為螺栓中心到邊緣,結果為:36.5HRC~38HRC。符合相關技術條件要求(35HRC~41HRC)。

 

3 分析與討論

3.1 斷裂性質分析

螺栓斷口附近無塑性變形,斷口的晶面平坦,無附著物,並可見白亮的、不規則的細亮條,並存在雞爪形的撕裂棱和韌窩。屬於典型的氫脆沿晶斷裂特征。

 

3.2 斷裂原因分析

氫脆是螺紋緊固件的失效模式之壹,經過表面鍍覆的高強度螺紋緊固件尤其容易發生氫脆。該螺栓的強度為1100MPa,屬於高強度螺栓,其氫含量達到0.0011%,易造成氫脆現象。

產生氫脆斷裂的滲氫原因主要有三種:①熱處理過程中滲入的氫;②在電鍍、酸洗過程中產生的氫;③在使用環境下滲入的氫。

根據實際情況調查,該爐批的材料在熱處理時充氬氣保護,無氫元素的引入,且剛生產的螺栓尚未出廠使用,不存在含氫的使用環境,故可以排除①和③兩種引起滲氫的原因。而實際加工過程中的酸洗和電鍍就成了滲氫的來源。

該批螺栓在酸洗後立即進行了除氫處理,且酸洗造成的滲氫量很小,故在驗證試驗時取酸洗並除氫後的零件進行氫含量檢測時,其結果為0.0002%。故可排除是由酸洗引起的滲氫。

在該批螺栓的鍍鋅過程中,由於第壹次表面效果不理想,又立即進行了返鍍,返鍍使其本該的除氫工序延後,且返鍍後的除氫時間只有3h,故未將滲入的氫除幹凈,從而產生了氫脆現象。

 

3.3 驗證試驗

使用和該螺栓同爐批的原材料按照相同工藝規程加工成成品螺栓,鍍鋅後再進行除氫,時間為24h,再進行氫脆試驗,沒有再出現異常斷裂,各項指標均符合相關技術條件要求。

 

4 結論

該項螺栓的斷裂性質為氫脆斷裂。螺栓發生氫脆斷裂是鍍鋅後除氫不完全造成的。

 

5 改進措施

通過以上分析可得,該螺栓的異常斷裂是由滲氫引起的氫脆斷裂。因此,只要盡量避免氫的滲入,就可以避免氫脆斷裂現象。鑒於此種情況,可以采取以下預防措施:

①在技術條件和加工允許的情況下,盡量避免酸洗;

②如果不能避免酸洗工序,酸洗後應盡快按照工藝要求進行除氫處理;

③在電鍍後,嚴格按照工藝要求進行除氫處理。必要時需延長除氫時間。

 

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