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(guò)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(cè)試等方法對(duì)螺栓斷裂原因進(jìn)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(guò)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(lèi)號(hào):TH１３１．３;TG１１５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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(zhǎng)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(qiáng)度等級(jí)為 １０．９級(jí).螺 栓 加 工 過(guò) 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(kù).筆者采用多種理化檢驗(yàn)方法對(duì)該緊固螺栓斷裂 原因進(jìn)行了分析,并提出了改進(jìn)建議,以避免類(lèi)似失 效的再發(fā)生.
１ 理化檢驗(yàn)
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(jiàn)正好處于螺紋和螺帽咬合的 最 后 一 個(gè) 齒 的 根 部. 螺 栓 斷 口 宏 觀 形 貌 如 圖１(b)所示,可見(jiàn)斷口垂直于螺栓軸線,斷面后期 稍有向下傾斜,無(wú)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(jiàn),裂紋起源于螺栓外 表面.在整個(gè)斷裂面上,裂紋由源區(qū)向內(nèi)部呈放射 狀擴(kuò)展,使得斷口分為明顯的３個(gè)區(qū)域:裂紋源區(qū)、 擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū).
１．２ 化學(xué)成分分析
對(duì)斷 裂 螺 栓 取 樣,使 用 美 國(guó) LeemanProdigy XP全譜直讀ICP發(fā)射光譜儀和氮?dú)溲醴治鰞x進(jìn)行 化學(xué)成分分析.由表１可見(jiàn),螺栓各元素含量均符 合 GB/T３００７－１９９９«合金結(jié)構(gòu)鋼»對(duì)４０Cr鋼成分 的技術(shù)要求.
１．３ 金相檢驗(yàn)
對(duì) 斷 裂 螺 栓 取 樣 進(jìn) 行 金 相 檢 驗(yàn). 使 用 OLYMPUSGX７１ 金相顯微鏡先對(duì)拋光態(tài)試樣進(jìn) 行觀察,并依據(jù) GB/T１０５６１－２００５對(duì)非金屬夾雜 物含量進(jìn)行評(píng)定,結(jié)果如下:A０,B０,C０,D１．０,DS０; 可見(jiàn)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(jiàn)圖２.未發(fā)現(xiàn)其他異常組織.
１．４ 硬度測(cè)試
依據(jù) GB/T３０９８．１－２０１０«緊固件機(jī)械性能 螺 栓、螺釘和螺柱»對(duì)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(cè) 定 維 氏 硬 度.試 驗(yàn) 載 荷 為９８N(１０kgf),試驗(yàn)方法依據(jù) GB/T４３４０．１－２００９ «金屬材料 維氏硬度試 驗(yàn) 第 １ 部 分:試 驗(yàn) 方 法». 試驗(yàn) 結(jié) 果 見(jiàn) 表 ２,可 見(jiàn) 斷 裂 螺 栓 硬 度 滿(mǎn) 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(jìn)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(jìn) 行 斷 口 觀 察. 裂紋源區(qū)斷口微觀形貌見(jiàn)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(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)圖５.整個(gè) 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(yàn)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(mǎn)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(gè)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(gè)齒的根部,該位置是整個(gè)螺栓的應(yīng)力集 中點(diǎn).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(gè)斷裂面上,裂紋由 源區(qū)螺栓表面向內(nèi)部呈放射狀擴(kuò)展,分為明顯的裂 紋源區(qū)、擴(kuò)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(kuò)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(duì)斷裂螺栓試樣的 氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果為０．０００１５％.一般強(qiáng) 度螺栓的氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于０．０００５％時(shí)即會(huì)產(chǎn)生氫 致裂紋;但對(duì)于高強(qiáng)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(cuò)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(dòng)氫原子進(jìn)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(kuò)展直 至發(fā)生斷裂,此即為氫脆引起的延遲斷裂現(xiàn)象.
對(duì)于螺栓構(gòu)件,其氫的來(lái)源主要分為３個(gè):一個(gè) 是由于螺栓構(gòu)件長(zhǎng)期暴露于雨水、潮濕等環(huán)境中而 引入的氫;一個(gè)是酸洗、電鍍處理過(guò)程中侵入的氫; 還有一個(gè)是熔煉過(guò)程中未完全去除的殘余氫.通過(guò) 分析發(fā)現(xiàn),斷裂螺栓加工過(guò)程中的酸洗磷皂化和磷 化過(guò)程都會(huì)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(wú)數(shù)原電池,在陽(yáng)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(guò)程中的吸氫應(yīng)該為斷裂螺栓主要的氫 來(lái)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(guò)程中的殘余氫會(huì)對(duì)氫脆斷裂有一定的促進(jìn) 作用.
螺栓在使用過(guò)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(huì)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(shí),便會(huì)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(jī)理綜合考慮.根據(jù)所需抗拉強(qiáng)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(xiàn):
[１] 吳連生,劉正義．機(jī)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．軸及緊固件的失效分析[M]． 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,１９８８:１８３Ｇ１８９．
[３] 胡曉輝．３Cr１３鋼彈簧片斷裂分析[J]．理化檢驗(yàn)Ｇ物理 分冊(cè),２００５,４１(１０):５１５Ｇ５１７．
[４] 張先鳴．高強(qiáng)度螺栓氫脆的發(fā)生與預(yù)防[J]．摩托車(chē)技 術(shù),２００３(２):１９Ｇ２０．
<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>52卷>12期(pp:903-905)>