螺栓头部金属流线、头下圆角尺寸、表面缺陷、金相组织、化学成分等指标均未发现异常。委托方提供信息显示,送检螺栓先安装于履带板上,将履带板装机时发生螺栓掉头,因此螺栓安装后仅受轴向力作用,且呈现延时断裂特征。断口低倍形貌显示,断面无明显塑性变形,并可见放射状条纹,条纹收敛于断口边缘,说明断裂起始于螺栓头下圆角表面。断口电镜形貌显示,晶粒轮廓鲜明呈冰糖块状,晶面上存在大量的鸡爪型撕裂棱等,均为氢致开裂的重要特征,所以失效螺栓断裂的性质为氢脆断裂[2]。所谓氢脆断裂,就是氢渗入金属材料内部后,造成材料损伤,使材料在低于材料屈服强度的静应力作用下发生的延迟断裂[3]。影响螺栓氢脆断裂的主要因素有:氢的存在和作用、一定的强度和硬度、足够的拉应力作用以及回火不充分的组织等。一般情况下,螺栓氢含量越高、强度和硬度越高、承受的应力作用越大,则越容易引起氢脆断裂的发生。
本案例中,螺栓性能等级为12.9级,硬度达到400HV以上(通常零件的硬度大于320HV时就有氢脆倾向)。但螺栓表面无増碳现象,且基体残留氢含量仅为1.1ppm,因此送检螺栓本身氢脆敏感性较低。金相组织显示,断裂起始点距离支承面法向长度为0.085mm,而终断区头下圆角存在一条呈沿晶扩展的微裂纹,距离支承面法向长度为0.090mm,与断裂起始点位置基本一致。因此有理由怀疑该微裂纹即为断裂起始裂纹。微裂纹起始处存在深度为10μm的渗磷层,说明热处理前螺栓表面的磷化膜未去除干净,同时靠近渗磷层的基体的P含量明显高于常见钢材的上限值。一般情况下磷视为有害元素,磷的晶界偏聚将会极大的降低晶界结合力及钢低温韧性,从而导致钢产生低温脆性现象,俗称钢的冷脆性[4]。钢中磷会增加钢的回火脆性、敏感性和引起冷脆,与合金元素一起共偏聚会加剧高温回火脆性。同时磷对冲击韧性危害很大[5]。由于螺栓头下圆角表面形成渗磷层,近表面基体磷含量增加,引起该处表面脆性显著增大,导致安装过程中产生微裂纹。由于氢脆失效是在氢和应力的共同作用下产生的,存在多个影响因素,只有在各个影响因素的综合作用超过一定临界值时才会发生断裂。螺栓头下圆角为应力集中区域,微裂纹加剧了应力集中状态,同时磷元素过高,易引发氢致裂纹[5],促进了氢致裂纹的形成与扩展,最终表现为氢脆断裂。
金相组织显示,终断区一侧微裂纹内部存在填充物,经能谱分析,填充物化学成分与断裂起始区覆盖物相似,可能为同一种物质。该覆盖物为断裂后粘附于断口的可能性不大,结合安装工艺,推断浸漆工序前该螺栓头下圆角已经发生开裂,油漆渗入裂纹并沉积于裂纹断面。与前文分析微裂纹产生于安装过程的结论相吻合。