40CrNiMoA螺栓氢脆断裂失效分析

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。

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，

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。

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/%）

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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