超高强度螺栓断裂失效分析
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为找出螺栓断裂失效原因 ,从该批螺栓中取 9 个螺栓进行分析 ,其中已断裂的螺栓 1 个 (编为 1 号) ,经磁粉探伤存在微裂纹的螺栓 4 个 (编为 2～5 号) ,正常螺栓 4 个 (编为 6～9 号) 。
2 试验与结果
2. 1 断口宏观形貌
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
YANG Li , SUN Hao , XI Jian2fa , L U Hui , NING Chao , WANG Chun2l iang
(Shanghai Reaserch Institute of Materials , Shanghai 200437 , China)
ZENG De2xin
Key words : Bolt of high strengt h ; Failure analysis ; Hydrogen embrittlement
1 引言
某厂生产的超高强度螺栓 ,材质为 35CrMnSiA 钢 ,规格为 M56 ×220mm 。制造工艺为 : 电渣重熔 毛坯 <110mm ×3 000mm →锻造 →锻棒正火 →粗加 工 (单边留量 3～5mm) →超声波探伤 →第一次热处 理 (淬火温度为 950 ℃,630 ℃回火) →精加工成品 → 第二次热处理 (淬火温度为 900 ℃,230 ℃回火) →渗 透探伤 →酸洗 →表面电镀镀镉 →除氢处理 ( 80 ～
高强钢的氢脆断口微观形态没有固定特征 ,它 与裂纹前沿的应力强度因子 K Ⅰ值及氢浓度 CH有
关 。图 10 是 35CrMnSiA 钢断口形态受裂纹前沿 K Ⅰ值和 CH 影响的变化规律 。35CrMnSiA 钢断口 在 K Ⅰ较高 、CH 较低时为准解理加韧窝断裂 ; 在 K Ⅰ很低 、CH 很高时则发生沿晶断裂 ,中间区域为 准解理 + 韧窝 + 沿晶的混合开裂 。根据 1 号螺栓断 口微观形貌呈沿晶和准解理特征及其近表面处氢含 量较高 ,其与中间区域的混合开裂特征相吻合的 。
由于该螺栓的强度很高 ,含有氢的高强度钢在 低应力作用条件下 ,经过一段孕育期 ,当钢中裂纹前 沿溶解的氢浓度达到临界值时 ,在氢和应力的共同 作用下开裂 。这时缺口尖端应力强度因子虽高 ,但 局部氢浓度降低 。随即氢又向该高应力区扩散 ,经 一定孕育期后在裂纹尖端再次出现临界状态 ,于是 又发生了第二次开裂 。这个过程不断反复进行 ,间 隙的时间为氢的聚集所消耗的时间 。所以氢裂纹扩
38
Hale Waihona Puke Baidu1570
1920 11. 0 38. 5
52. 5
40
1600
1920 9. 5 39. 5
标准值 -
≥31 ≥1280 ≥1620 ≥9
≥40
和力学性能都满足标准要求 ,其中抗拉强度和规定 非比例延伸强度大大超过其标准要求 。显微组织为 回火马氏体 ,也属正常 。由化学分析知 ,螺帽与螺杆 外表面的氢含量 ( 2. 99～9. 70) ×10 - 4 % ,属偏高 。 分析螺栓的电镀工艺得出 ,螺杆外表面氢含量偏高 是由于螺栓在电镀时 ,要经过酸洗和电镀 ,在这过程 中吸附了大量的氢 ,而在其随后的去氢处理过程中 , 由于温度低 、时间短 ,使螺栓表面吸附的氢来不及扩 散外逸 ,导致仍有较多的氢滞留在螺栓内 。
(not etched)
图 6 2 号螺栓断口形貌 Fig. 6 The appearance of t he fracture surface
of No. 2 bolt
图 3 1 号螺栓裂纹源的低倍形貌 Fig. 3 Low magnfication appearance of t he crack source
·197 ·
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
杨 力等 :超高强度螺栓断裂失效分析
展是断续式的 ,因此出现了图 5 所示的不连续裂纹 。 当裂纹长度达到临界值时 ,裂纹失稳扩展 ,材料发生 突然脆性断裂 ,这种断裂现象称为延迟破坏 ,这是氢 脆的显著特征之一 。
between t he screw cap and t he bolt , t here are micro cracks at same position of t he bolts of same lot which are not assembledyet. By means of metallograp hical examination , SEM inspection , t he microstructure characteristics , chemical composition analysis and mechanical property testing , t he macro2and microfractograp hs of t he brittle broken bolt have been studied. The results show t hat t he failure of t he bolt had been damaged by hydrogen during surface treatment .
2. 2 断口微观形貌 将 1 号螺栓断口清洗后在扫描电镜下观察 ,图
3 为其中一个裂纹源的低倍形貌 ,图 4 显示出断口 呈沿晶及准解理特征 。垂直断口取样磨抛后在扫描 电镜下观察 ,其裂纹不连续 ,见图 5 。
图 5 1 号螺栓裂纹形貌 (未侵蚀) Fig. 5 The appearance of crack of No. 1 bolt
P 0. 022 ≤0. 025
Cr 1. 24 1. 10～1. 40
Ni 0. 040 ≤0. 30
Mo 0. 088 ≤0. 10
%
Cu 0. 15 ≤0. 25
图 7 2 号螺栓沿晶及韧窝形貌 Fig. 7 The fracture surface of intergranular and dimple
·195 ·
杨 力等 :超高强度螺栓断裂失效分析
1 号螺栓断口比较平整 ,无塑性变形 ,为多源断 裂 ,断口的实物照见图 1 。将 2 号螺栓沿裂纹处人 工打开 ,其断口宏观形貌见图 2 ,裂纹深度约 2mm , 长度约 18mm 。
图 1 1 号螺栓断口形貌 Fig. 1 Fractured appearance of No. 1 bolt
杨 力等 :超高强度螺栓断裂失效分析
项目 实测值 标准值
C 0. 38 0. 32～0. 39
S 0. 001 ≤0. 025
表 1 1 号螺栓的化学成分
Tab. 1 Chemical compostion of No. 1 bolt
Mn 0. 99 0. 80～1. 10
Si 1. 38 1. 10～1. 40
关键词 : 高强度螺栓 ; 失效分析 ; 氢脆
中图分类号 : T G142. 41 文献标识码 : A 文章编号 : 100124012 (2004) 0420195204
FA IL U RE ANAL YSIS O F THE FRACTU RE O F BOL TS O F SU PER HI GH STREN GTH
收稿日期 :2003208219 作者简介 :杨 力 (19662) ,女 ,高级工程师 。
100 ℃热水 ,20～30min) →磨削成品 。工件经检验 合格入库一个月后 ,在螺栓装配过程中 ,一个螺栓的 螺帽与螺杆的 R 过渡处发生断裂 。对其余的螺栓 进行磁粉探伤复查 ,发现部分螺栓在 R 过渡处存在 微裂纹 。
第 40 卷第 4 期 2004 年 4 月
失效分析
理化检验2物理分册
PTCA ( PAR T A : PH YSICAL TESTIN G)
Vol. 40 No. 4 Apr. 2004
超高强度螺栓断裂失效分析
杨 力 , 孙 浩 , 奚建法 , 陆 慧 , 宁 超 , 王春亮
(上海材料研究所 , 上海 200437)
表 3 力学性能测试结果
Tab. 3 Testing results of mechanical properties
项目 实测值
硬度 ( HRC)
52. 0
冲击 规定非比例 抗拉 断后 断面 吸收功 延伸强度 强度 伸长率 收缩率
A kU2/ J Rp0. 2/ MPa R m/ MPa A ( %) Z ( %)
3. 85 3. 80 9. 70 2. 99 1. 23 0. 89 0. 87
图 8 基体组织与沿晶裂纹 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
Fig. 8 Microstructure of matrix and crack of intergranular Etched wit h 4 % nitric2acid alcohol solution
(Jiujiang Marine Machine Plant , Jiujiang 332209 , China)
Abstract : M56 Super high strengt h bolt made of 35CrMnSiA fractured at t he position of t he R transition area
(1) 化学成分分析 在 1 号螺栓上取样进行化 学分析 ,结果 (质量分数) 见表 1 。
(2) 氢含量测定 采用美国 L ECO 公司的氧氮 氢分析仪 ,分别在 1 号和 2 号螺栓的螺帽和螺杆外 表面及芯部进行氢含量测定 。氢含量测试取样位置
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
of No. 1 bolt
图 6 为 2 号螺栓扫描电镜下的断口形貌 ,分为 不同颜色的三个区 ,在与撕裂区交界处有内裂纹 (箭 头所示) ;在开裂区与最后撕裂区可见沿晶与韧窝形 貌 ,见图 7 。 2. 3 金相检验
·196 ·
取 1 号和 2 号螺栓垂直断口制成金相试样 ,在 显微镜 下 观 察 , 有 局 部 脱 碳 现 象 , 总 脱 碳 层 深 约 012mm ;显微组织为回火马氏体并有沿晶裂纹 ,见 图 8。 2. 4 化学分析
图 4 1 号螺栓沿晶及准解理形貌 Fig. 4 The fracture surface of intergranular and
quasicleavage of No. 1 bolt
图 2 2 号螺栓断口形貌 Fig. 2 Fractured appearance of No. 2 bolt
曾德鑫
(九江船用机械厂 , 九江 332209)
摘 要 : 材质为 35CrMnSiA 钢的 M56 超高强螺栓在装配过程中 ,其螺帽与螺杆的 R 过渡处发 生断裂 。经检查 ,未装配的同批螺栓在螺帽与螺杆的 R 过渡处也存在微裂纹 。借助化学分析 、金 相检验 、扫描电镜和力学性能测试等手段对超高强度螺栓的显微组织 、力学性能 、宏观和微观断口 形貌等进行了研究 。结果表明 ,螺栓在表面处理过程中 ,表面富氢而产生氢致裂纹 ,在应力作用 下 , 发生氢脆断裂 。
of No. 2 bolt
3 分析与讨论
从试验结果可看出 ,该高强度螺栓的化学成分 表 2 螺栓氢含量分析结果
Tab. 2 Result of content of hydrgon
名称
测试部位
氢含量/ ×10 - 4 %
螺帽 螺杆
芯部
a 区域 (距表面 4mm 区域) b 区域 (距表面 4mm 区域) c 区域 (距表面 2mm 区域) d 区域 (距表面 2mm 区域) e 区域 (表面 2～4mm 区域) f 区域 (表面 2～4mm 区域)
(a) 螺帽
(b) 螺杆
图 9 氢含量测试取样位置图
Fig. 9 Scheme of sampling location of
hydrogen content testing
见图 9 ,测定结果见表 2 。 2. 5 力学性能测定
在 1 号螺栓的 1/ 2 半径处取样进行力学性能试 验 ,结果见表 3 。
2 试验与结果
2. 1 断口宏观形貌
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
YANG Li , SUN Hao , XI Jian2fa , L U Hui , NING Chao , WANG Chun2l iang
(Shanghai Reaserch Institute of Materials , Shanghai 200437 , China)
ZENG De2xin
Key words : Bolt of high strengt h ; Failure analysis ; Hydrogen embrittlement
1 引言
某厂生产的超高强度螺栓 ,材质为 35CrMnSiA 钢 ,规格为 M56 ×220mm 。制造工艺为 : 电渣重熔 毛坯 <110mm ×3 000mm →锻造 →锻棒正火 →粗加 工 (单边留量 3～5mm) →超声波探伤 →第一次热处 理 (淬火温度为 950 ℃,630 ℃回火) →精加工成品 → 第二次热处理 (淬火温度为 900 ℃,230 ℃回火) →渗 透探伤 →酸洗 →表面电镀镀镉 →除氢处理 ( 80 ～
高强钢的氢脆断口微观形态没有固定特征 ,它 与裂纹前沿的应力强度因子 K Ⅰ值及氢浓度 CH有
关 。图 10 是 35CrMnSiA 钢断口形态受裂纹前沿 K Ⅰ值和 CH 影响的变化规律 。35CrMnSiA 钢断口 在 K Ⅰ较高 、CH 较低时为准解理加韧窝断裂 ; 在 K Ⅰ很低 、CH 很高时则发生沿晶断裂 ,中间区域为 准解理 + 韧窝 + 沿晶的混合开裂 。根据 1 号螺栓断 口微观形貌呈沿晶和准解理特征及其近表面处氢含 量较高 ,其与中间区域的混合开裂特征相吻合的 。
由于该螺栓的强度很高 ,含有氢的高强度钢在 低应力作用条件下 ,经过一段孕育期 ,当钢中裂纹前 沿溶解的氢浓度达到临界值时 ,在氢和应力的共同 作用下开裂 。这时缺口尖端应力强度因子虽高 ,但 局部氢浓度降低 。随即氢又向该高应力区扩散 ,经 一定孕育期后在裂纹尖端再次出现临界状态 ,于是 又发生了第二次开裂 。这个过程不断反复进行 ,间 隙的时间为氢的聚集所消耗的时间 。所以氢裂纹扩
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Hale Waihona Puke Baidu1570
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标准值 -
≥31 ≥1280 ≥1620 ≥9
≥40
和力学性能都满足标准要求 ,其中抗拉强度和规定 非比例延伸强度大大超过其标准要求 。显微组织为 回火马氏体 ,也属正常 。由化学分析知 ,螺帽与螺杆 外表面的氢含量 ( 2. 99～9. 70) ×10 - 4 % ,属偏高 。 分析螺栓的电镀工艺得出 ,螺杆外表面氢含量偏高 是由于螺栓在电镀时 ,要经过酸洗和电镀 ,在这过程 中吸附了大量的氢 ,而在其随后的去氢处理过程中 , 由于温度低 、时间短 ,使螺栓表面吸附的氢来不及扩 散外逸 ,导致仍有较多的氢滞留在螺栓内 。
(not etched)
图 6 2 号螺栓断口形貌 Fig. 6 The appearance of t he fracture surface
of No. 2 bolt
图 3 1 号螺栓裂纹源的低倍形貌 Fig. 3 Low magnfication appearance of t he crack source
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© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
杨 力等 :超高强度螺栓断裂失效分析
展是断续式的 ,因此出现了图 5 所示的不连续裂纹 。 当裂纹长度达到临界值时 ,裂纹失稳扩展 ,材料发生 突然脆性断裂 ,这种断裂现象称为延迟破坏 ,这是氢 脆的显著特征之一 。
between t he screw cap and t he bolt , t here are micro cracks at same position of t he bolts of same lot which are not assembledyet. By means of metallograp hical examination , SEM inspection , t he microstructure characteristics , chemical composition analysis and mechanical property testing , t he macro2and microfractograp hs of t he brittle broken bolt have been studied. The results show t hat t he failure of t he bolt had been damaged by hydrogen during surface treatment .
2. 2 断口微观形貌 将 1 号螺栓断口清洗后在扫描电镜下观察 ,图
3 为其中一个裂纹源的低倍形貌 ,图 4 显示出断口 呈沿晶及准解理特征 。垂直断口取样磨抛后在扫描 电镜下观察 ,其裂纹不连续 ,见图 5 。
图 5 1 号螺栓裂纹形貌 (未侵蚀) Fig. 5 The appearance of crack of No. 1 bolt
P 0. 022 ≤0. 025
Cr 1. 24 1. 10～1. 40
Ni 0. 040 ≤0. 30
Mo 0. 088 ≤0. 10
%
Cu 0. 15 ≤0. 25
图 7 2 号螺栓沿晶及韧窝形貌 Fig. 7 The fracture surface of intergranular and dimple
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杨 力等 :超高强度螺栓断裂失效分析
1 号螺栓断口比较平整 ,无塑性变形 ,为多源断 裂 ,断口的实物照见图 1 。将 2 号螺栓沿裂纹处人 工打开 ,其断口宏观形貌见图 2 ,裂纹深度约 2mm , 长度约 18mm 。
图 1 1 号螺栓断口形貌 Fig. 1 Fractured appearance of No. 1 bolt
杨 力等 :超高强度螺栓断裂失效分析
项目 实测值 标准值
C 0. 38 0. 32～0. 39
S 0. 001 ≤0. 025
表 1 1 号螺栓的化学成分
Tab. 1 Chemical compostion of No. 1 bolt
Mn 0. 99 0. 80～1. 10
Si 1. 38 1. 10～1. 40
关键词 : 高强度螺栓 ; 失效分析 ; 氢脆
中图分类号 : T G142. 41 文献标识码 : A 文章编号 : 100124012 (2004) 0420195204
FA IL U RE ANAL YSIS O F THE FRACTU RE O F BOL TS O F SU PER HI GH STREN GTH
收稿日期 :2003208219 作者简介 :杨 力 (19662) ,女 ,高级工程师 。
100 ℃热水 ,20～30min) →磨削成品 。工件经检验 合格入库一个月后 ,在螺栓装配过程中 ,一个螺栓的 螺帽与螺杆的 R 过渡处发生断裂 。对其余的螺栓 进行磁粉探伤复查 ,发现部分螺栓在 R 过渡处存在 微裂纹 。
第 40 卷第 4 期 2004 年 4 月
失效分析
理化检验2物理分册
PTCA ( PAR T A : PH YSICAL TESTIN G)
Vol. 40 No. 4 Apr. 2004
超高强度螺栓断裂失效分析
杨 力 , 孙 浩 , 奚建法 , 陆 慧 , 宁 超 , 王春亮
(上海材料研究所 , 上海 200437)
表 3 力学性能测试结果
Tab. 3 Testing results of mechanical properties
项目 实测值
硬度 ( HRC)
52. 0
冲击 规定非比例 抗拉 断后 断面 吸收功 延伸强度 强度 伸长率 收缩率
A kU2/ J Rp0. 2/ MPa R m/ MPa A ( %) Z ( %)
3. 85 3. 80 9. 70 2. 99 1. 23 0. 89 0. 87
图 8 基体组织与沿晶裂纹 4 %硝酸酒精溶液侵蚀
Fig. 8 Microstructure of matrix and crack of intergranular Etched wit h 4 % nitric2acid alcohol solution
(Jiujiang Marine Machine Plant , Jiujiang 332209 , China)
Abstract : M56 Super high strengt h bolt made of 35CrMnSiA fractured at t he position of t he R transition area
(1) 化学成分分析 在 1 号螺栓上取样进行化 学分析 ,结果 (质量分数) 见表 1 。
(2) 氢含量测定 采用美国 L ECO 公司的氧氮 氢分析仪 ,分别在 1 号和 2 号螺栓的螺帽和螺杆外 表面及芯部进行氢含量测定 。氢含量测试取样位置
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
of No. 1 bolt
图 6 为 2 号螺栓扫描电镜下的断口形貌 ,分为 不同颜色的三个区 ,在与撕裂区交界处有内裂纹 (箭 头所示) ;在开裂区与最后撕裂区可见沿晶与韧窝形 貌 ,见图 7 。 2. 3 金相检验
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取 1 号和 2 号螺栓垂直断口制成金相试样 ,在 显微镜 下 观 察 , 有 局 部 脱 碳 现 象 , 总 脱 碳 层 深 约 012mm ;显微组织为回火马氏体并有沿晶裂纹 ,见 图 8。 2. 4 化学分析
图 4 1 号螺栓沿晶及准解理形貌 Fig. 4 The fracture surface of intergranular and
quasicleavage of No. 1 bolt
图 2 2 号螺栓断口形貌 Fig. 2 Fractured appearance of No. 2 bolt
曾德鑫
(九江船用机械厂 , 九江 332209)
摘 要 : 材质为 35CrMnSiA 钢的 M56 超高强螺栓在装配过程中 ,其螺帽与螺杆的 R 过渡处发 生断裂 。经检查 ,未装配的同批螺栓在螺帽与螺杆的 R 过渡处也存在微裂纹 。借助化学分析 、金 相检验 、扫描电镜和力学性能测试等手段对超高强度螺栓的显微组织 、力学性能 、宏观和微观断口 形貌等进行了研究 。结果表明 ,螺栓在表面处理过程中 ,表面富氢而产生氢致裂纹 ,在应力作用 下 , 发生氢脆断裂 。
of No. 2 bolt
3 分析与讨论
从试验结果可看出 ,该高强度螺栓的化学成分 表 2 螺栓氢含量分析结果
Tab. 2 Result of content of hydrgon
名称
测试部位
氢含量/ ×10 - 4 %
螺帽 螺杆
芯部
a 区域 (距表面 4mm 区域) b 区域 (距表面 4mm 区域) c 区域 (距表面 2mm 区域) d 区域 (距表面 2mm 区域) e 区域 (表面 2～4mm 区域) f 区域 (表面 2～4mm 区域)
(a) 螺帽
(b) 螺杆
图 9 氢含量测试取样位置图
Fig. 9 Scheme of sampling location of
hydrogen content testing
见图 9 ,测定结果见表 2 。 2. 5 力学性能测定
在 1 号螺栓的 1/ 2 半径处取样进行力学性能试 验 ,结果见表 3 。