摘 要:某石化廠管道連接法蘭用４０Cr鋼緊固螺栓在使用不到１a(年)后發(fā)生徑向斷裂.通過宏觀分析、化學(xué)成分分析、光學(xué)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(jié)果表明:螺栓在較高應(yīng)力水平下服役,在應(yīng)力和氫的共同作用下發(fā)生了氫脆斷裂;導(dǎo)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(guān)鍵詞:４０Cr鋼;螺栓;斷裂;氫脆

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

某石化廠用于管道連接處法蘭的緊固螺栓在使 用不到１a(年)后發(fā)生徑向斷裂,該失效螺栓長期暴 露于北方少雨水的干燥環(huán)境中.斷裂螺栓材料為 ４０Cr鋼,規(guī)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(diào)質(zhì)處理→磷化→包裝入 庫.筆者采用多種理化檢驗方法對該緊固螺栓斷裂 原因進行了分析,并提出了改進建議,以避免類似失 效的再發(fā)生.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀分析 

失效緊固螺栓示意圖如圖１(a)所示,斷裂位于 圖１中箭頭所指處,可見正好處于螺紋和螺帽咬合的 最 后 一 個 齒 的 根 部. 螺 栓 斷 口 宏 觀 形 貌 如 圖１(b)所示,可見斷口垂直于螺栓軸線,斷面后期 稍有向下傾斜,無明顯的宏觀塑性變形痕跡.斷口 表面大部分區(qū)域呈現(xiàn)亮灰色,少部分區(qū)域有沉積的 棕褐色氧化物.宏觀分析可見,裂紋起源于螺栓外 表面.在整個斷裂面上,裂紋由源區(qū)向內(nèi)部呈放射 狀擴展,使得斷口分為明顯的３個區(qū)域:裂紋源區(qū)、 擴展區(qū)和最終斷裂區(qū). 

１．２ 化學(xué)成分分析 

對斷 裂 螺 栓 取 樣,使 用 美 國 LeemanProdigy XP全譜直讀ICP發(fā)射光譜儀和氮氫氧分析儀進行 化學(xué)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(jié)構(gòu)鋼»對４０Cr鋼成分 的技術(shù)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(tài)試樣進 行觀察,并依據(jù) GB/T１０５６１－２００５對非金屬夾雜 物含量進行評定,結(jié)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?jǐn)?shù))侵蝕后再 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(fā)現(xiàn)其他異常組織. 

１．４ 硬度測試 

依據(jù) GB/T３０９８．１－２０１０«緊固件機械性能 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,磨平并用酒精去除表面油 脂后,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(jù) 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(jié) 果 見 表 ２,可 見 斷 裂 螺 栓 硬 度 滿 足 GB/T ３０９８．１－２０１０技術(shù)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 污 漬,并 用 毛 刷 輕 刷 斷 口,然 后 放 入 FEI QUANTA６００掃描電 鏡 (SEM)內(nèi) 進 行 斷 口 觀 察. 裂紋源區(qū)斷口微觀形貌見圖３,主要表現(xiàn)為冰糖狀 沿晶斷裂特征,并且斷口表面有一定程度的氧化. 擴展區(qū)斷口微觀形貌見圖４(a),主要呈復(fù)合型斷裂 特征,斷口形貌為沿晶＋韌窩,且在沿晶面上存在大 量的雞爪形撕裂棱,見圖４(b).最終斷裂區(qū)為剪切 唇區(qū),主要斷口特征表現(xiàn)為剪切韌窩,見圖５.整個 斷口未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷.

２ 分析與討論 

由以上理化檢驗結(jié)果可知:失效螺栓的化學(xué)成 分符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求;平均硬度為３５５HV,也滿足 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(diào)質(zhì)處理組織,未發(fā)現(xiàn)其他非調(diào)質(zhì) 組織;在整個斷口附近也未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷. 

宏觀分析發(fā)現(xiàn),螺栓斷裂位于螺紋與螺帽咬合 的最后一個齒的根部,該位置是整個螺栓的應(yīng)力集 中點.斷口表面大部分區(qū)域呈現(xiàn)亮灰色,少部分區(qū) 域有沉積的棕褐色氧化物.整個斷裂面上,裂紋由 源區(qū)螺栓表面向內(nèi)部呈放射狀擴展,分為明顯的裂 紋源區(qū)、擴展區(qū)和最終斷裂區(qū).微觀分析發(fā)現(xiàn),斷口 源區(qū)表現(xiàn)為沿晶斷裂,擴展區(qū)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 典型特征[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(zhì)量分?jǐn)?shù)進行測定,結(jié)果為０．０００１５％.一般強 度螺栓的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于０．０００５％時即會產(chǎn)生氫 致裂紋;但對于高強度螺栓,即使氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 ０．０００１％,也有可能發(fā)生氫脆[３Ｇ４].

氫脆通常表現(xiàn)為應(yīng)力作用下的延遲斷裂.其主 要原理是將鋼鐵基體中一些易于滲入氫原子的位置 形容為“陷阱”,這些位置包括鋼鐵結(jié)構(gòu)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固界面,以及應(yīng)力中心等.當(dāng)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(yīng)力下 降,應(yīng)力集中部位將形成微裂紋,微裂紋逐漸擴展直 至發(fā)生斷裂,此即為氫脆引起的延遲斷裂現(xiàn)象. 

對于螺栓構(gòu)件,其氫的來源主要分為３個:一個 是由于螺栓構(gòu)件長期暴露于雨水、潮濕等環(huán)境中而 引入的氫;一個是酸洗、電鍍處理過程中侵入的氫; 還有一個是熔煉過程中未完全去除的殘余氫.通過 分析發(fā)現(xiàn),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(shù)原電池,在陽極區(qū) 工件表面形成磷化膜,在陰極區(qū)則放出大量的氫. 因此,加工過程中的吸氫應(yīng)該為斷裂螺栓主要的氫 來源.失效螺栓服役于北方雨水少、氣候干燥的環(huán) 境下,因此螺栓從環(huán)境中引入的氫較少.螺栓原材 料熔煉過程中的殘余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(yīng)力下服役, 螺栓中的氫在應(yīng)力的作用下會向應(yīng)力集中的部位聚 集,當(dāng)應(yīng)力集中處的氫含量達(dá)到臨界值時,便會導(dǎo)致 螺栓在應(yīng)力和氫的共同作用下發(fā)生氫脆斷裂.

３ 結(jié)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(yīng)力和氫共同作用下導(dǎo)致的斷裂. 預(yù)防合金鋼螺栓氫脆斷裂需要依據(jù)氫脆斷裂的 機理綜合考慮.根據(jù)所需抗拉強度的不同,選擇適 當(dāng)?shù)牟牧?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),采取嚴(yán)格的預(yù)防措施.

參考文獻: 

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