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瀏覽│▩✘:- 釋出日期│▩✘:2022-07-20 15:33:55【

摘 要:某石化廠管道連線法蘭用40Cr鋼緊固螺栓在使用不到1a(年)後發生徑向斷裂.透過宏觀分析◕↟•、化學成分分析◕↟•、光學顯微鏡和掃描電鏡觀察◕↟•、硬度測試等方法對螺栓斷裂原因進行了分析.結果表明:螺栓在較高應力水平下服役,在應力和氫的共同作用下發生了氫脆斷裂;導致其氫脆斷裂的主要原因是螺栓在酸洗磷皂化和磷化過程中引入了較多的氫.

關鍵詞:40Cr鋼;螺栓;斷裂;氫脆

中圖分類號:TH131.3;TG115    文獻標誌碼:B     文章編號:1001G4012(2016)12G0903G03

某石化廠用於管道連線處法蘭的緊固螺栓在使 用不到1a(年)後發生徑向斷裂,該失效螺栓長期暴 露於北方少雨水的乾燥環境中.斷裂螺栓材料為 40Cr鋼,規格為 M12 mm×150 mm,強度等級為 10.9級.螺 栓 加 工 過 程 為:球 化 退 火 → 酸 洗 磷 皂 化→改拔→下料→絲坯→調質處理→磷化→包裝入 庫.筆者採用多種理化檢驗方法對該緊固螺栓斷裂 原因進行了分析,並提出了改進建議,以避免類似失 效的再發生.


1 理化檢驗 

.1 宏觀分析 

失效緊固螺栓示意圖如圖1(a)所示,斷裂位於 圖1中箭頭所指處,可見正好處於螺紋和螺帽咬合的 最 後 一 個 齒 的 根 部. 螺 栓 斷 口 宏 觀 形 貌 如 圖1(b)所示,可見斷口垂直於螺栓軸線,斷面後期 稍有向下傾斜,無明顯的宏觀塑性變形痕跡.斷口 表面大部分割槽域呈現亮灰色,少部分割槽域有沉積的 棕褐色氧化物.宏觀分析可見,裂紋起源於螺栓外 表面.在整個斷裂面上,裂紋由源區向內部呈放射 狀擴充套件,使得斷口分為明顯的3個區域:裂紋源區◕↟•、 擴充套件區和最終斷裂區. 

1.2 化學成分分析 

對斷 裂 螺 栓 取 樣,使 用 美 國 LeemanProdigy XP全譜直讀ICP發射光譜儀和氮氫氧分析儀進行 化學成分分析.由表1可見,螺栓各元素含量均符 合 GB/T3007-1999«合金結構鋼»對40Cr鋼成分 的技術要求. 

1.3 金相檢驗 

對 斷 裂 螺 栓 取 樣 進 行 金 相 檢 驗. 使 用 OLYMPUSGX71 金相顯微鏡先對拋光態試樣進 行觀察,並依據 GB/T10561-2005對非金屬夾雜 物含量進行評定,結果如下:A0,B0,C0,D1.0,DS0; 可見螺栓中夾雜物含量較低. 試樣用4%硝酸酒精溶液(體積分數)侵蝕後再 在金相顯微鏡下觀察,斷裂螺栓顯微組織為回火索 氏體,見圖2.未發現其他異常組織. 

1.4 硬度測試 

依據 GB/T3098.1-2010«緊韌體機械效能 螺 栓◕↟•、螺釘和螺柱»對硬度的要求,在螺栓距離螺紋末 端一倍直徑處取一截面,磨平並用酒精去除表面油 脂後,在 1/2 半 徑 處 測 定 維 氏 硬 度.試 驗 載 荷 為98N(10kgf),試驗方法依據 GB/T4340.1-2009 «金屬材料 維氏硬度試 驗 第 1 部 分:試 驗 方 法». 試驗 結 果 見 表 2,可 見 斷 裂 螺 栓 硬 度 滿 足 GB/T 3098.1-2010技術要求. 

1.5 掃描電鏡斷口分析 

將螺栓斷口試樣用丙酮進行超聲波清洗,去除 表面 汙 漬,並 用 毛 刷 輕 刷 斷 口,然 後 放 入 FEI QUANTA600掃描電 鏡 (SEM)內 進 行 斷 口 觀 察. 裂紋源區斷口微觀形貌見圖3,主要表現為冰糖狀 沿晶斷裂特徵,並且斷口表面有一定程度的氧化. 擴充套件區斷口微觀形貌見圖4(a),主要呈複合型斷裂 特徵,斷口形貌為沿晶+韌窩,且在沿晶面上存在大 量的雞爪形撕裂稜,見圖4(b).最終斷裂區為剪下 唇區,主要斷口特徵表現為剪下韌窩,見圖5.整個 斷口未發現明顯的冶金缺陷.

2 分析與討論 

由以上理化檢驗結果可知:失效螺栓的化學成 分符合標準技術要求;平均硬度為355HV,也滿足 標準技術要求;失效螺栓的顯微組織為均勻的回火 索氏體,是正常的調質處理組織,未發現其他非調質 組織;在整個斷口附近也未發現明顯的冶金缺陷. 

宏觀分析發現,螺栓斷裂位於螺紋與螺帽咬合 的最後一個齒的根部,該位置是整個螺栓的應力集 中點.斷口表面大部分割槽域呈現亮灰色,少部分割槽 域有沉積的棕褐色氧化物.整個斷裂面上,裂紋由 源區螺栓表面向內部呈放射狀擴充套件,分為明顯的裂 紋源區·₪▩₪│、擴充套件區和最終斷裂區.微觀分析發現,斷口 源區表現為沿晶斷裂,擴充套件區為沿晶+韌窩的混合型斷裂,沿晶面上伴有雞爪痕,這些都是氫脆斷口的 典型特徵[1G2].所謂氫脆,是指氫原子侵入基體材料 中而引起的材料延遲斷裂失效.對斷裂螺栓試樣的 氫質量分數進行測定,結果為0.00015%.一般強 度螺栓的氫質量分數大於0.0005%時即會產生氫 致裂紋;但對於高強度螺栓,即使氫質量分數小於 0.0001%,也有可能發生氫脆[3G4].

氫脆通常表現為應力作用下的延遲斷裂.其主 要原理是將鋼鐵基體中一些易於滲入氫原子的位置 形容為“陷阱”,這些位置包括鋼鐵結構中的晶界·₪▩₪│、位 錯中心·₪▩₪│、非金屬夾雜物及碳化物等與鋼鐵原子之間 形 成的固G固介面,以及應力中心等.當活動氫原子進入這些“陷阱”,即被束縛而成為非活躍氫原子. 氫原子在“陷阱”位置的聚集將使材料的斷裂應力下 降,應力集中部位將形成微裂紋,微裂紋逐漸擴充套件直 至發生斷裂,此即為氫脆引起的延遲斷裂現象. 

對於螺栓構件,其氫的來源主要分為3個:一個 是由於螺栓構件長期暴露於雨水·₪▩₪│、潮溼等環境中而 引入的氫;一個是酸洗·₪▩₪│、電鍍處理過程中侵入的氫; 還有一個是熔鍊過程中未完全去除的殘餘氫.透過 分析發現,斷裂螺栓加工過程中的酸洗磷皂化和磷 化過程都會引入較多的氫,特別是磷化工藝中,在磷 酸的作用下,鐵和 Fe3C形成無數原電池,在陽極區 工件表面形成磷化膜,在陰極區則放出大量的氫. 因此,加工過程中的吸氫應該為斷裂螺栓主要的氫 來源.失效螺栓服役於北方雨水少·₪▩₪│、氣候乾燥的環 境下,因此螺栓從環境中引入的氫較少.螺栓原材 料熔鍊過程中的殘餘氫會對氫脆斷裂有一定的促進 作用. 

螺栓在使用過程中始終在較高的應力下服役, 螺栓中的氫在應力的作用下會嚮應力集中的部位聚 集,當應力集中處的氫含量達到臨界值時,便會導致 螺栓在應力和氫的共同作用下發生氫脆斷裂.

3 結論及建議 

該40Cr鋼緊固螺栓斷裂為氫致延遲型脆性斷 裂,是在應力和氫共同作用下導致的斷裂. 預防合金鋼螺栓氫脆斷裂需要依據氫脆斷裂的 機理綜合考慮.根據所需抗拉強度的不同,選擇適 當的材料,選用合理的加工工藝(包括熱處理工藝·₪▩₪│、 電鍍工藝和酸洗工藝),採取嚴格的預防措施.


參考文獻: 

[1] 吳連生,劉正義.機械裝備失效分析圖譜[M].廣州:廣 東科技出版社,1990:273G275. 

[2] 王大倫,趙德寅,鄭伯芳.軸及緊韌體的失效分析[M]. 北京:機械工業出版社,1988:183G189. 

[3] 胡曉輝.3Cr13鋼彈簧片斷裂分析[J].理化檢驗G物理 分冊,2005,41(10):515G517. 

[4] 張先鳴.高強度螺栓氫脆的發生與預防[J].摩托車技 術,2003(2):19G20.


<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗-物理分冊 > 52卷 > 12期 (pp:903-905)>

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