金属紧固螺栓发生氢脆断的原因分析

姜 琛

（日照市产品质量监督检验所，山东 日照 276800）

金属被广泛的应用于机械制造业中，经过一定的调质处理后，其就能具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性以及低的缺口敏感性。金属紧固螺栓的加工过程主要包括：球化退火、酸洗磷皂化、改拔、下料、丝坯、调质处理、磷化以及包装入库等步骤。金属紧固螺栓在工作过程中会长期处于受力的状态之中，进而对其紧固性能受到不同程度的影响，甚至导致其发生断裂。为了有效避免金属紧固螺栓断裂情况的发生，就需要对其氢脆断裂的原因进行系统全面的分析，并采取有效的改善措施，确保金属紧固螺栓始终处于良好的工作状态之中，进而能够提供稳定的紧固性能。

1 理化检验

1.1 宏观分析

螺栓断口截面的起始位置与其轴向相垂直，随着断口裂缝的不断延伸其断面呈现出逐渐向下倾斜的趋势，并且发现断口不存在明显的塑性变形痕迹。通过观察断口的外观，还发现断口表面的大部分区域呈现出一定的亮灰色，小部分区域发现有棕褐色氧化物的沉淀。通过对断裂处进行有效的宏观分析可知，螺栓的断裂源区位于外部，其断裂是由外向内进行的。裂纹在螺栓的断裂面上，由源区呈放射状向螺栓的内部延伸，进而可以将断裂面划分为3个不同的区域，即断裂源区、扩展区以及最终断裂区，这三种区域按照断裂的规律组合形成整个断裂面。

1.2 化学成分分析

在螺栓的断裂处按照检验要求，采集一定量的样本，运用光谱仪对样品的化学组成进行有效的检测。本文中所使用的光谱仪为美国的Leeman Prodigy XP全谱直读ICP发射光谱仪，该仪器具有较高的检测精度，能够满足样品化学成分的检测要求，螺栓的化学成分符合国家相关标准对金属成分的技术要求，可以初步确定螺栓断裂的发生与其化学成分关系不大。

1.3 金相检验

在螺栓的断裂处选取一定量的样品进行金相检验，进而确定螺栓的金相情况。通过对样品进行一定的磨制和抛光处理后，采用OLYMPUS GX71金相显微镜对其进行系统全面的金相分析，并且按照国家标准GB/T 10561-2005对样品之中的非金属杂质进行科学合理的评定，其测量结果如下：A0，B0，C0，D1.0，DS0，由此可见螺栓中的非金属杂质含量较低，其杂质含量符合国家相关标准规范的要求。将螺栓试样浸泡在体积分数为4%的硝酸酒精溶液之中，经过一定的侵蚀处理后，通过金相显微镜观察试样，发现螺栓样品的显微组织为回火索氏体，如图1所示，并没有发现其他的异常组织。

图1 断裂螺栓显微组织形貌图

1.4 硬度测试

螺栓硬度的测量是按照国标GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》进行的，在距螺纹末端一倍直径的位置处，选取一个适合的测量截面。用砂纸对测量面进行一定的磨平处理，再用酒精擦洗测量面，用以去除表面的污垢，进而确保测量面符合硬度测量的要求。在1/2半径处测定螺栓截面的维氏硬度，在测量过程中的试验载荷为98N，整个测量严格按照标准GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，其测量结果显示螺栓截面硬度的实测值均在要求的范围之内，满足相应国家标准的要求。

1.5 扫描电镜断口分析

在对螺栓断口进行电镜扫描前，需要对其进行一定的预处理，进而为测量结果的精度提供可靠保障。运用丙酮溶液对螺栓断口进行全面的超声波清洗，进而去除螺栓断面的污渍，再用毛刷对断面进行二次清洗，用以去除截面残留的顽固污渍，清洗完成后，将螺栓放入FEIQUANTA600扫描电镜内，对其断口进行观察，螺栓断口源区主要表现为冰糖状沿晶断裂特征，并且其断面还被空气所氧化。扩展区的断口主要表现为复合型的断裂特征，其断口形貌主要是由沿晶和韧窝两种外形组成，在扩展区断口的沿晶面上具有大量的鸡爪形撕裂棱。断口最终断裂区的微观形貌看出最终断裂区表现为剪切唇区，其断口特征为剪切韧窝，并且整个断口不存在明显的冶金缺陷。

2 分析与讨论

通过对断裂螺栓进行系统全面的理化检验，发现螺栓断口具有明显的氢脆断裂特征，而测量的螺栓试样中氢的质量分数仅为0.00015%，而对于高强螺栓而言，即使其中的氢含量低于0.0001%，也有可能发生氢脆断裂。在螺栓实际的工作过程中，还会受到外界环境的不良影响，导致其中的氢含量逐渐升高，这就为氢脆断裂的发生提供了物质基础。对于螺栓而言，其氢的来源主要有以下3个：①由于长时间处于湿度较高的工作环境之中，水中的氢元素就会逐渐渗入到螺栓之中；②对螺栓进行酸洗和电镀的处理过程中，螺栓会受到氢元素的侵入；③熔炼过程并没有将其中的氢元素进行有效的去除，而残留在螺栓之中。

3 结语

总而言之，金属紧固螺栓在使用过程中会长期处于高应力的状态之中，而螺栓之中的氢元素会逐渐向应力集中的位置进行迁移，当螺栓中的氢含量达到一定值，就会导致氢脆断裂的发生。为了有效避免螺栓氢脆断裂的发生，要结合螺栓工作应力的要求，优选适宜的材料，选用合理的加工工艺，并采取严格的预防措施，进而对螺栓中的氢含量进行有效控制，避免其超标。