姜 琛

（日照市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，山東 日照 276800）

金屬被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)中，經(jīng)過一定的調(diào)質(zhì)處理后，其就能具有良好的綜合力學(xué)性能、低溫沖擊韌性以及低的缺口敏感性。金屬緊固螺栓的加工過程主要包括：球化退火、酸洗磷皂化、改拔、下料、絲坯、調(diào)質(zhì)處理、磷化以及包裝入庫等步驟。金屬緊固螺栓在工作過程中會長期處于受力的狀態(tài)之中，進(jìn)而對其緊固性能受到不同程度的影響，甚至導(dǎo)致其發(fā)生斷裂。為了有效避免金屬緊固螺栓斷裂情況的發(fā)生，就需要對其氫脆斷裂的原因進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析，并采取有效的改善措施，確保金屬緊固螺栓始終處于良好的工作狀態(tài)之中，進(jìn)而能夠提供穩(wěn)定的緊固性能。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

螺栓斷口截面的起始位置與其軸向相垂直，隨著斷口裂縫的不斷延伸其斷面呈現(xiàn)出逐漸向下傾斜的趨勢，并且發(fā)現(xiàn)斷口不存在明顯的塑性變形痕跡。通過觀察斷口的外觀，還發(fā)現(xiàn)斷口表面的大部分區(qū)域呈現(xiàn)出一定的亮灰色，小部分區(qū)域發(fā)現(xiàn)有棕褐色氧化物的沉淀。通過對斷裂處進(jìn)行有效的宏觀分析可知，螺栓的斷裂源區(qū)位于外部，其斷裂是由外向內(nèi)進(jìn)行的。裂紋在螺栓的斷裂面上，由源區(qū)呈放射狀向螺栓的內(nèi)部延伸，進(jìn)而可以將斷裂面劃分為3個(gè)不同的區(qū)域，即斷裂源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)以及最終斷裂區(qū)，這三種區(qū)域按照斷裂的規(guī)律組合形成整個(gè)斷裂面。

1.2 化學(xué)成分分析

在螺栓的斷裂處按照檢驗(yàn)要求，采集一定量的樣本，運(yùn)用光譜儀對樣品的化學(xué)組成進(jìn)行有效的檢測。本文中所使用的光譜儀為美國的Leeman Prodigy XP全譜直讀ICP發(fā)射光譜儀，該儀器具有較高的檢測精度，能夠滿足樣品化學(xué)成分的檢測要求，螺栓的化學(xué)成分符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對金屬成分的技術(shù)要求，可以初步確定螺栓斷裂的發(fā)生與其化學(xué)成分關(guān)系不大。

1.3 金相檢驗(yàn)

在螺栓的斷裂處選取一定量的樣品進(jìn)行金相檢驗(yàn)，進(jìn)而確定螺栓的金相情況。通過對樣品進(jìn)行一定的磨制和拋光處理后，采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡對其進(jìn)行系統(tǒng)全面的金相分析，并且按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005對樣品之中的非金屬雜質(zhì)進(jìn)行科學(xué)合理的評定，其測量結(jié)果如下：A0，B0，C0，D1.0，DS0，由此可見螺栓中的非金屬雜質(zhì)含量較低，其雜質(zhì)含量符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。將螺栓試樣浸泡在體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液之中，經(jīng)過一定的侵蝕處理后，通過金相顯微鏡觀察試樣，發(fā)現(xiàn)螺栓樣品的顯微組織為回火索氏體，如圖1所示，并沒有發(fā)現(xiàn)其他的異常組織。

圖1 斷裂螺栓顯微組織形貌圖

1.4 硬度測試

螺栓硬度的測量是按照國標(biāo)GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》進(jìn)行的，在距螺紋末端一倍直徑的位置處，選取一個(gè)適合的測量截面。用砂紙對測量面進(jìn)行一定的磨平處理，再用酒精擦洗測量面，用以去除表面的污垢，進(jìn)而確保測量面符合硬度測量的要求。在1/2半徑處測定螺栓截面的維氏硬度，在測量過程中的試驗(yàn)載荷為98N，整個(gè)測量嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行，其測量結(jié)果顯示螺栓截面硬度的實(shí)測值均在要求的范圍之內(nèi)，滿足相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.5 掃描電鏡斷口分析

在對螺栓斷口進(jìn)行電鏡掃描前，需要對其進(jìn)行一定的預(yù)處理，進(jìn)而為測量結(jié)果的精度提供可靠保障。運(yùn)用丙酮溶液對螺栓斷口進(jìn)行全面的超聲波清洗，進(jìn)而去除螺栓斷面的污漬，再用毛刷對斷面進(jìn)行二次清洗，用以去除截面殘留的頑固污漬，清洗完成后，將螺栓放入FEIQUANTA600掃描電鏡內(nèi)，對其斷口進(jìn)行觀察，螺栓斷口源區(qū)主要表現(xiàn)為冰糖狀沿晶斷裂特征，并且其斷面還被空氣所氧化。擴(kuò)展區(qū)的斷口主要表現(xiàn)為復(fù)合型的斷裂特征，其斷口形貌主要是由沿晶和韌窩兩種外形組成，在擴(kuò)展區(qū)斷口的沿晶面上具有大量的雞爪形撕裂棱。斷口最終斷裂區(qū)的微觀形貌看出最終斷裂區(qū)表現(xiàn)為剪切唇區(qū)，其斷口特征為剪切韌窩，并且整個(gè)斷口不存在明顯的冶金缺陷。

2 分析與討論

通過對斷裂螺栓進(jìn)行系統(tǒng)全面的理化檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)螺栓斷口具有明顯的氫脆斷裂特征，而測量的螺栓試樣中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.00015%，而對于高強(qiáng)螺栓而言，即使其中的氫含量低于0.0001%，也有可能發(fā)生氫脆斷裂。在螺栓實(shí)際的工作過程中，還會受到外界環(huán)境的不良影響，導(dǎo)致其中的氫含量逐漸升高，這就為氫脆斷裂的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。對于螺栓而言，其氫的來源主要有以下3個(gè)：①由于長時(shí)間處于濕度較高的工作環(huán)境之中，水中的氫元素就會逐漸滲入到螺栓之中；②對螺栓進(jìn)行酸洗和電鍍的處理過程中，螺栓會受到氫元素的侵入；③熔煉過程并沒有將其中的氫元素進(jìn)行有效的去除，而殘留在螺栓之中。

3 結(jié)語

總而言之，金屬緊固螺栓在使用過程中會長期處于高應(yīng)力的狀態(tài)之中，而螺栓之中的氫元素會逐漸向應(yīng)力集中的位置進(jìn)行遷移，當(dāng)螺栓中的氫含量達(dá)到一定值，就會導(dǎo)致氫脆斷裂的發(fā)生。為了有效避免螺栓氫脆斷裂的發(fā)生，要結(jié)合螺栓工作應(yīng)力的要求，優(yōu)選適宜的材料，選用合理的加工工藝，并采取嚴(yán)格的預(yù)防措施，進(jìn)而對螺栓中的氫含量進(jìn)行有效控制，避免其超標(biāo)。