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、化學成分等進行了分析，確定了該螺栓的異常斷裂原因，并提出了相應的改進措施。

關鍵詞：氫脆；宏觀形貌；微觀形貌；金相組織；硬度；化學成分

1 引言

40CrNiMoA合金結構鋼，是一種優良的調質鋼，具有很好的淬透性。具有較高的疲勞強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。用于制作高強度，高韌性的零件，在航空標準件產業中具有廣泛的應用。某廠生產的某型號40CrNiMoA螺栓，在進行氫脆實驗時發生異常斷裂，致使該批次的成品螺栓判廢。

2 試驗過程及結果

2.1 加工現場調查

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）。現場調查結果表明，該批產品進行過返鍍。

2.2 試驗設備及環境檢查

該螺栓進行以下各項試驗的設備及環境均符合實驗要求。

2.3 斷口觀察

將該斷裂螺栓的斷口進行超聲波清洗之后，置于JSM-5000型掃描電子顯微鏡下進行觀察。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，無腐蝕產物，且在斷口上可觀察到白點，斷裂區呈結晶顆粒狀。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、不規則的細亮條，并存在雞爪形的撕裂棱和韌窩。

2.4 金相分析

將斷裂螺栓進行金相取樣，經鑲嵌，磨拋后，利用ZEISS PHOTNEO 32型高級金相顯微鏡進行觀察，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行化學成分檢驗，結果見表1。

表1 斷裂螺栓材料的化學成分（質量分數/%）

可見斷裂螺栓以上各元素含量均符合材料技術條件要求。

采用EF-400氫測氫儀對斷裂螺栓進行氫含量檢測，結果（質量分數）為0.0011%。對與該螺栓同爐批的原材料取樣進行氫含量檢測，結果（質量分數）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，結果為：36.5HRC~38HRC。符合相關技術條件要求（35HRC~41HRC）。

3 分析與討論

3.1 斷裂性質分析

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、不規則的細亮條，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，經過表面鍍覆的高強度螺紋緊固件尤其容易發生氫脆。該螺栓的強度為1100MPa，屬于高強度螺栓，其氫含量達到0.0011%，易造成氫脆現象。

產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、酸洗過程中產生的氫；③在使用環境下滲入的氫。

根據實際情況調查，該爐批的材料在熱處理時充氬氣保護，無氫元素的引入，且剛生產的螺栓尚未出廠使用，不存在含氫的使用環境，故可以排除①和③兩種引起滲氫的原因。而實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行了除氫處理，且酸洗造成的滲氫量很小，故在驗證試驗時取酸洗并除氫后的零件進行氫含量檢測時，其結果為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，從而產生了氫脆現象。

3.3 驗證試驗

使用和該螺栓同爐批的原材料按照相同工藝規程加工成成品螺栓，鍍鋅后再進行除氫，時間為24h，再進行氫脆試驗，沒有再出現異常斷裂，各項指標均符合相關技術條件要求。

4 結論

該項螺栓的斷裂性質為氫脆斷裂。螺栓發生氫脆斷裂是鍍鋅后除氫不完全造成的。

5 改進措施

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象。鑒于此種情況，可以采取以下預防措施：

①在技術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，酸洗后應盡快按照工藝要求進行除氫處理；

③在電鍍后，嚴格按照工藝要求進行除氫處理。必要時需延長除氫時間。

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