摘要：本文對40CrNiMoA螺栓氫脆異常斷裂試樣斷口的宏觀形貌、微觀形貌、金相組織、硬度、化學(xué)成分等進(jìn)行了分析，確定了該螺栓的異常斷裂原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：氫脆；宏觀形貌；微觀形貌；金相組織；硬度；化學(xué)成分

1 引言

40CrNiMoA合金結(jié)構(gòu)鋼，是一種優(yōu)良的調(diào)質(zhì)鋼，具有很好的淬透性。具有較高的疲勞強(qiáng)度和低的缺口敏感性，低溫沖擊韌性也很高，無明顯的回火脆性。用于制作高強(qiáng)度，高韌性的零件，在航空標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。某廠生產(chǎn)的某型號40CrNiMoA螺栓，在進(jìn)行氫脆實(shí)驗(yàn)時發(fā)生異常斷裂，致使該批次的成品螺栓判廢。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 加工現(xiàn)場調(diào)查

該螺栓的加工流程：熱鐓→車削→去凸頭→銑工→去毛刺→熱處理（淬火：鹽浴爐，溫度為850℃，保溫18min，油冷；回火：堿槽，溫度為535℃，保溫40min，水冷。）→吹砂→無心磨→滾螺紋→無心磨→去毛刺→探傷→終檢→鍍鋅（除氫溫度：180℃~200℃，除氫時間：12h）?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，該批產(chǎn)品進(jìn)行過返鍍。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境檢查

該螺栓進(jìn)行以下各項(xiàng)試驗(yàn)的設(shè)備及環(huán)境均符合實(shí)驗(yàn)要求。

2.3 斷口觀察

將該斷裂螺栓的斷口進(jìn)行超聲波清洗之后，置于JSM-5000型掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。斷口低倍形貌如圖1所示，可見，在斷口附近無宏觀塑性變形，斷口平齊，色澤為亮灰色，斷面干凈，無腐蝕產(chǎn)物，且在斷口上可觀察到白點(diǎn)，斷裂區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀。為脆性斷口。

圖1 斷口低倍形貌 X20

在500X下和2000X觀察為多面體冰糖塊狀沿晶斷裂特征，如圖2和圖3所示，

圖2 斷口高倍形貌 500X	圖3 斷口高倍形貌 2000X

可見，斷口的晶面平坦，無附著物，并可見白亮的、不規(guī)則的細(xì)亮條，并存在雞爪形的撕裂棱和韌窩。

2.4 金相分析

將斷裂螺栓進(jìn)行金相取樣，經(jīng)鑲嵌，磨拋后，利用ZEISS PHOTNEO 32型高級金相顯微鏡進(jìn)行觀察，基體的脆性夾雜物和塑性夾雜物之和小于1.0級。將磨拋后的試樣用4%的硝酸酒精溶液腐蝕，利用高級金相顯微鏡進(jìn)行觀察，螺栓整體組織為回火索氏體組織，見圖4，圖5。

圖4 螺栓基體組織 200X	圖5 斷口組織 200X

2.5 化學(xué)成分分析

對斷裂的螺栓取樣，通過CS-444碳硫分析儀和IRIS Advantage全譜直讀電感耦合等離子體光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 斷裂螺栓材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

可見斷裂螺栓以上各元素含量均符合材料技術(shù)條件要求。

采用EF-400氫測氫儀對斷裂螺栓進(jìn)行氫含量檢測，結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.0011%。對與該螺栓同爐批的原材料取樣進(jìn)行氫含量檢測，結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.0002%。

2.6 硬度測試

采用CLC-200R型洛氏硬度計測定其硬度，測試位置為螺栓中心到邊緣，結(jié)果為：36.5HRC~38HRC。符合相關(guān)技術(shù)條件要求（35HRC~41HRC）。

3 分析與討論

3.1 斷裂性質(zhì)分析

螺栓斷口附近無塑性變形，斷口的晶面平坦，無附著物，并可見白亮的、不規(guī)則的細(xì)亮條，并存在雞爪形的撕裂棱和韌窩。屬于典型的氫脆沿晶斷裂特征。

3.2 斷裂原因分析

氫脆是螺紋緊固件的失效模式之一，經(jīng)過表面鍍覆的高強(qiáng)度螺紋緊固件尤其容易發(fā)生氫脆。該螺栓的強(qiáng)度為1100MPa，屬于高強(qiáng)度螺栓，其氫含量達(dá)到0.0011%，易造成氫脆現(xiàn)象。

產(chǎn)生氫脆斷裂的滲氫原因主要有三種：①熱處理過程中滲入的氫；②在電鍍、酸洗過程中產(chǎn)生的氫；③在使用環(huán)境下滲入的氫。

根據(jù)實(shí)際情況調(diào)查，該爐批的材料在熱處理時充氬氣保護(hù)，無氫元素的引入，且剛生產(chǎn)的螺栓尚未出廠使用，不存在含氫的使用環(huán)境，故可以排除①和③兩種引起滲氫的原因。而實(shí)際加工過程中的酸洗和電鍍就成了滲氫的來源。

該批螺栓在酸洗后立即進(jìn)行了除氫處理，且酸洗造成的滲氫量很小，故在驗(yàn)證試驗(yàn)時取酸洗并除氫后的零件進(jìn)行氫含量檢測時，其結(jié)果為0.0002%。故可排除是由酸洗引起的滲氫。

在該批螺栓的鍍鋅過程中，由于第一次表面效果不理想，又立即進(jìn)行了返鍍，返鍍使其本該的除氫工序延后，且返鍍后的除氫時間只有3h，故未將滲入的氫除干凈，從而產(chǎn)生了氫脆現(xiàn)象。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

使用和該螺栓同爐批的原材料按照相同工藝規(guī)程加工成成品螺栓，鍍鋅后再進(jìn)行除氫，時間為24h，再進(jìn)行氫脆試驗(yàn)，沒有再出現(xiàn)異常斷裂，各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)技術(shù)條件要求。

4 結(jié)論

該項(xiàng)螺栓的斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。螺栓發(fā)生氫脆斷裂是鍍鋅后除氫不完全造成的。

5 改進(jìn)措施

通過以上分析可得，該螺栓的異常斷裂是由滲氫引起的氫脆斷裂。因此，只要盡量避免氫的滲入，就可以避免氫脆斷裂現(xiàn)象。鑒于此種情況，可以采取以下預(yù)防措施：

①在技術(shù)條件和加工允許的情況下，盡量避免酸洗；

②如果不能避免酸洗工序，酸洗后應(yīng)盡快按照工藝要求進(jìn)行除氫處理；

③在電鍍后，嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行除氫處理。必要時需延長除氫時間。

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