分享40Cr钢紧固螺栓断裂原因分析

摘要:某石化厂管道连接法兰用４０Cr钢紧固螺栓在使用不到１a(年)后发生径向断裂.通过宏观分析、化学成分分析、光学显微镜和扫描电镜观察、硬度测试等方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:螺栓在较高应力水平下服役,在应力和氢的共同作用下发生了氢脆断裂;导致其氢脆断裂的主要原因是螺栓在酸洗磷皂化和磷化过程中引入了较多的氢.

关键词:４０Cr钢;螺栓;断裂;氢脆

中图分类号:TH１３１．３;TG１１５文献标志码:B文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１６)１２Ｇ０９０３Ｇ０３

某石化厂用于管道连接处法兰的紧固螺栓在使用不到１a(年)后发生径向断裂,该失效螺栓长期暴露于北方少雨水的干燥环境中.断裂螺栓材料为４０Cr钢,规格为M１２mm×１５０mm,强度等级为１０．９级.螺栓加工过程为:球化退火→酸洗磷皂化→改拔→下料→丝坯→调质处理→磷化→包装入库.笔者采用多种理化检验方法对该紧固螺栓断裂原因进行了分析,并提出了改进建议,以避免类似失效的再发生.

１理化检验

１．１宏观分析

失效紧固螺栓示意图如图１(a)所示,断裂位于图１中箭头所指处,可见正好处于螺纹和螺帽咬合的最后一个齿的根部.螺栓断口宏观形貌如图１(b)所示,可见断口垂直于螺栓轴线,断面后期稍有向下倾斜,无明显的宏观塑性变形痕迹.断口表面大部分区域呈现亮灰色,少部分区域有沉积的棕褐色氧化物.宏观分析可见,裂纹起源于螺栓外表面.在整个断裂面上,裂纹由源区向内部呈放射状扩展,使得断口分为明显的３个区域:裂纹源区、扩展区和最终断裂区.

１．２化学成分分析

对断裂螺栓取样,使用美国LeemanProdigyXP全谱直读ICP发射光谱仪和氮氢氧分析仪进行化学成分分析.由表１可见,螺栓各元素含量均符合GB/T３００７－１９９９合金结构钢对４０Cr钢成分的技术要求.

１．３金相检验

对断裂螺栓取样进行金相检验.使用OLYMPUSGX７１金相显微镜先对抛光态试样进行观察,并依据GB/T１０５６１－２００５对非金属夹杂物含量进行评定,结果如下:A０,B０,C０,D１．０,DS０;可见螺栓中夹杂物含量较低.试样用４％硝酸酒精溶液(体积分数)侵蚀后再在金相显微镜下观察,断裂螺栓显微组织为回火索氏体,见图２.未发现其他异常组织.

１．４硬度测试

依据GB/T３０９８．１－２０１０紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱对硬度的要求,在螺栓距离螺纹末端一倍直径处取一截面,磨平并用酒精去除表面油脂后,在１/２半径处测定维氏硬度.试验载荷为９８N(１０kgf),试验方法依据GB/T４３４０．１－２００９金属材料维氏硬度试验第１部分:试验方法.试验结果见表２,可见断裂螺栓硬度满足GB/T３０９８．１－２０１０技术要求.

１．５扫描电镜断口分析

将螺栓断口试样用丙酮进行超声波清洗,去除表面污渍,并用毛刷轻刷断口,然后放入FEIQUANTA６００扫描电镜(SEM)内进行断口观察.裂纹源区断口微观形貌见图３,主要表现为冰糖状沿晶断裂特征,并且断口表面有一定程度的氧化.扩展区断口微观形貌见图４(a),主要呈复合型断裂特征,断口形貌为沿晶＋韧窝,且在沿晶面上存在大量的鸡爪形撕裂棱,见图４(b).最终断裂区为剪切唇区,主要断口特征表现为剪切韧窝,见图５.整个断口未发现明显的冶金缺陷.

２分析与讨论

由以上理化检验结果可知:失效螺栓的化学成分符合标准技术要求;平均硬度为３５５HV,也满足标准技术要求;失效螺栓的显微组织为均匀的回火索氏体,是正常的调质处理组织,未发现其他非调质组织;在整个断口附近也未发现明显的冶金缺陷.

宏观分析发现,螺栓断裂位于螺纹与螺帽咬合的最后一个齿的根部,该位置是整个螺栓的应力集中点.断口表面大部分区域呈现亮灰色,少部分区域有沉积的棕褐色氧化物.整个断裂面上,裂纹由源区螺栓表面向内部呈放射状扩展,分为明显的裂纹源区、扩展区和最终断裂区.微观分析发现,断口源区表现为沿晶断裂,扩展区为沿晶＋韧窝的混合型断裂,沿晶面上伴有鸡爪痕,这些都是氢脆断口的典型特征[１Ｇ２].所谓氢脆,是指氢原子侵入基体材料中而引起的材料延迟断裂失效.对断裂螺栓试样的氢质量分数进行测定,结果为０．０００１５％.一般强度螺栓的氢质量分数大于０．０００５％时即会产生氢致裂纹;但对于高强度螺栓,即使氢质量分数小于０．０００１％,也有可能发生氢脆[３Ｇ４].

氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂.其主要原理是将钢铁基体中一些易于渗入氢原子的位置形容为“陷阱”,这些位置包括钢铁结构中的晶界、位错中心、非金属夹杂物及碳化物等与钢铁原子之间形成的固Ｇ固界面,以及应力中心等.当活动氢原子进入这些“陷阱”,即被束缚而成为非活跃氢原子.氢原子在“陷阱”位置的聚集将使材料的断裂应力下降,应力集中部位将形成微裂纹,微裂纹逐渐扩展直至发生断裂,此即为氢脆引起的延迟断裂现象.

对于螺栓构件,其氢的来源主要分为３个:一个是由于螺栓构件长期暴露于雨水、潮湿等环境中而引入的氢;一个是酸洗、电镀处理过程中侵入的氢;还有一个是熔炼过程中未完全去除的残余氢.通过分析发现,断裂螺栓加工过程中的酸洗磷皂化和磷化过程都会引入较多的氢,特别是磷化工艺中,在磷酸的作用下,铁和Fe３C形成无数原电池,在阳极区工件表面形成磷化膜,在阴极区则放出大量的氢.因此,加工过程中的吸氢应该为断裂螺栓主要的氢来源.失效螺栓服役于北方雨水少、气候干燥的环境下,因此螺栓从环境中引入的氢较少.螺栓原材料熔炼过程中的残余氢会对氢脆断裂有一定的促进作用.

螺栓在使用过程中始终在较高的应力下服役,螺栓中的氢在应力的作用下会向应力集中的部位聚集,当应力集中处的氢含量达到临界值时,便会导致螺栓在应力和氢的共同作用下发生氢脆断裂.

３结论及建议

该４０Cr钢紧固螺栓断裂为氢致延迟型脆性断裂,是在应力和氢共同作用下导致的断裂.预防合金钢螺栓氢脆断裂需要依据氢脆断裂的机理综合考虑.根据所需抗拉强度的不同,选择适当的材料,选用合理的加工工艺(包括热处理工艺、电镀工艺和酸洗工艺),采取严格的预防措施.

参考文献:

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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册52卷12期(pp:-)