40crnimoa螺栓氢脆断裂失效分析

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1、一站式的材料检测、分析与技术咨询服务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

2、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加工现场调查一站式的材料检测、分析与技术咨询服务该螺栓的加工流程：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-50

3、00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。 一站式的材料检测、分析与技术咨询服务图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， 一站式的材料检测、分析与技术咨询服务图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Z

4、EISSPHOTNEO32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。 一站式的材料检测、分析与技术咨询服务图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IRISAdvantage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/%）元素CSMnSiCrNi技术要求0.36~0.44≤0.0250.50~0.800

5、.17~0.370.60~0.901.25~1.75检测结果0.420.000640.690.300.791.54一站式的材料检测、分析与技术咨询服务元素MoPWCuVTi技术要求0.15~0.25≤0.025≤0.20≤0.25≤0.05≤0.03检测结果0.190.0100.0120.0870.0190.020 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

6、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。一站式的材料检测、分析与技术咨询服务 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

7、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

8、干净，从而