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   某型號履帶式液壓挖掘機在裝配過程中發(fā)生個別履帶螺栓“掉頭”現(xiàn)象。通過宏觀形貌觀察，掃描電鏡形貌分析，能譜元素分析，金相組織檢測，力學(xué)性能檢測，化學(xué)成分檢測等手段對螺栓斷裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明: 螺栓斷裂模式符合氫脆斷裂的典型特征。螺栓各項性能均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且基體殘余氫含量僅為1.1ppm，因此螺栓本身的氫脆敏感性較低。因熱處理前磷化膜未去除干凈，導(dǎo)致螺栓頭下圓角表面存在深度約10μm 的滲磷層。頭桿連接處近表面基體的P含量異常偏高導(dǎo)致脆性增大，安裝過程中產(chǎn)生微裂紋。螺栓頭下圓角為應(yīng)力集中區(qū)域，微裂紋加劇了應(yīng)力集中狀態(tài)，同時磷元素易引發(fā)氫致裂紋，促進(jìn)了氫致裂紋的形成與擴展，最終表現(xiàn)為氫致延遲斷裂。

      履帶式工程車輛中，履帶板是利用履帶螺栓固定在履帶鏈上，由左右驅(qū)動輪實施驅(qū)動。履帶螺栓將履帶板固定于履帶鏈上，是要求可靠性高的聯(lián)接件[1]。委托方提供六角凸緣履帶螺栓斷裂件1枚、同批次未使用完好件5枚，規(guī)格為M24×1.5×72，材質(zhì)為SCM435，性能等級為12.9級。螺栓制造工藝為頭桿尾成型-熱前搓絲-調(diào)質(zhì)（脫磷、淬火、回火）-磁粉探傷-表面發(fā)黑-上防銹油-包裝。螺栓安裝扭矩為1230±35N·m，安裝到履帶板上后經(jīng)過清洗、浸漆、100℃烘干。烘干工序完成后，將履帶板安裝到挖掘機上時發(fā)生履帶螺栓掉頭失效，失效比例為0.01%，為偶發(fā)事件。筆者對送檢螺栓進(jìn)行失效分析，找出螺栓斷裂的原因。

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      斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，可見斷裂發(fā)生于頭桿連接處，試樣表面未發(fā)現(xiàn)明顯的擠壓磨損或銹蝕痕跡。圖2所示為失效螺栓斷口宏觀形貌，斷面平整，無明顯塑性變形痕跡，且存在輕微銹蝕現(xiàn)象。斷口左上方隱約可見放射狀條紋，收斂于斷口邊緣（箭頭所示）。將斷口分為A、B、C三個區(qū)域進(jìn)一步描述。圖3所示為斷面A區(qū)電鏡微觀形貌，可見靠近邊緣的斷面存在明顯的覆蓋物，而遠(yuǎn)離邊緣的斷面可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，伴隨晶間二次裂紋，晶面存在“雞爪形”發(fā)紋。A區(qū)能譜元素分析如圖4所示，靠近邊緣的區(qū)域存在大量的氧元素以及少量鈣、鉀、氯等元素，而遠(yuǎn)離邊緣的區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的外來元素。圖5、圖6所示分別為B區(qū)和C區(qū)微觀形貌，為準(zhǔn)解理形貌+少量韌窩形貌。

    對斷裂螺栓與完好螺栓分別進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果如表1所示，符合“JIS G4053-2008”標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。在斷裂螺栓裂紋起源區(qū)取樣，進(jìn)行氫含量測試，結(jié)果顯示，殘余氫含量為1.1ppm。

      將失效螺栓斷裂頭部縱剖進(jìn)行金相分析。圖7所示為失效螺栓頭部縱截面金屬流線，可見頭部流線左右對稱、連續(xù)，且沿頭部外形分布，無異常。圖8所示為失效螺栓頭下圓角半徑測量結(jié)果，頭下圓角半徑為1.17mm，符合“GB/T 3105-2002”標(biāo)準(zhǔn)中對規(guī)格為M24螺栓的要求（≥0.8mm）。圖9所示為失效螺栓斷裂起始區(qū)金相組織，斷裂發(fā)生于頭下圓角處，斷裂起始點距離支承面法向長度為0.085mm。斷裂起始區(qū)附近未發(fā)現(xiàn)明顯的折疊、裂紋等不連續(xù)性缺陷，頭下圓角表面未見明顯的脫碳、増?zhí)棘F(xiàn)象。圖10所示為失效螺栓終斷區(qū)一側(cè)縱截面金相組織，可見距離支承面法向長度為0.090mm處存在一條明顯的擴展中的微裂紋。圖11所示為微裂紋部位金相組織，可見裂紋起始于頭下圓角表面，起裂處表面存在厚度約10μm的白亮層，經(jīng)能譜分析（圖12），白亮層中存在1%左右的P元素，P元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于螺栓材料的上限值（≤0.030%），因此推斷該亮白層為熱處理前局部磷化膜未去除干凈引起的滲磷層。圖13所示為靠近白亮層的基體能譜分析結(jié)果，可見基體含有0.3%左右的P，明顯高于螺栓材料的上限值（≤0.030%）。微裂紋前半段呈穿晶形式，后半段呈沿晶形式擴展，裂紋內(nèi)部存在明顯的填充物，經(jīng)能譜分析（圖14），可見除基體元素外，填充物主要成分為大量氧元素、少量鎂、氯、鉀、鈣等元素，與斷面覆蓋物化學(xué)成分相似。

       螺栓機械性能檢測結(jié)果如表2所示，所檢項目均符合標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 3098.1-2010”中對12.9級螺栓的要求。經(jīng)計算可知，完好螺栓抗拉強度為1481MPa，符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求（≥1220MPa）。在斷裂螺栓頭下圓角表面進(jìn)行硬度梯度檢測，結(jié)果如表3所示，可見硬度均勻，表面無明顯増?zhí)棘F(xiàn)象。

      螺栓頭部金屬流線、頭下圓角尺寸、表面缺陷、金相組織、化學(xué)成分等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。委托方提供信息顯示，送檢螺栓先安裝于履帶板上，將履帶板裝機時發(fā)生螺栓掉頭，因此螺栓安裝后僅受軸向力作用，且呈現(xiàn)延時斷裂特征。斷口低倍形貌顯示，斷面無明顯塑性變形，并可見放射狀條紋，條紋收斂于斷口邊緣，說明斷裂起始于螺栓頭下圓角表面。斷口電鏡形貌顯示，晶粒輪廓鮮明呈冰糖塊狀，晶面上存在大量的雞爪型撕裂棱等，均為氫致開裂的重要特征，所以失效螺栓斷裂的性質(zhì)為氫脆斷裂[2]。所謂氫脆斷裂，就是氫滲入金屬材料內(nèi)部后，造成材料損傷，使材料在低于材料屈服強度的靜應(yīng)力作用下發(fā)生的延遲斷裂[3]。影響螺栓氫脆斷裂的主要因素有：氫的存在和作用、一定的強度和硬度、足夠的拉應(yīng)力作用以及回火不充分的組織等。一般情況下，螺栓氫含量越高、強度和硬度越高、承受的應(yīng)力作用越大，則越容易引起氫脆斷裂的發(fā)生。

      本案例中，螺栓性能等級為12.9級，硬度達(dá)到400HV以上（通常零件的硬度大于320HV時就有氫脆傾向）。但螺栓表面無増?zhí)棘F(xiàn)象，且基體殘留氫含量僅為1.1ppm，因此送檢螺栓本身氫脆敏感性較低。金相組織顯示，斷裂起始點距離支承面法向長度為0.085mm，而終斷區(qū)頭下圓角存在一條呈沿晶擴展的微裂紋，距離支承面法向長度為0.090mm，與斷裂起始點位置基本一致。因此有理由懷疑該微裂紋即為斷裂起始裂紋。微裂紋起始處存在深度為10μm的滲磷層，說明熱處理前螺栓表面的磷化膜未去除干凈，同時靠近滲磷層的基體的P含量明顯高于常見鋼材的上限值。一般情況下磷視為有害元素，磷的晶界偏聚將會極大的降低晶界結(jié)合力及鋼低溫韌性，從而導(dǎo)致鋼產(chǎn)生低溫脆性現(xiàn)象，俗稱鋼的冷脆性[4]。鋼中磷會增加鋼的回火脆性、敏感性和引起冷脆，與合金元素一起共偏聚會加劇高溫回火脆性。同時磷對沖擊韌性危害很大[5]。由于螺栓頭下圓角表面形成滲磷層，近表面基體磷含量增加，引起該處表面脆性顯著增大，導(dǎo)致安裝過程中產(chǎn)生微裂紋。由于氫脆失效是在氫和應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的，存在多個影響因素，只有在各個影響因素的綜合作用超過一定臨界值時才會發(fā)生斷裂。螺栓頭下圓角為應(yīng)力集中區(qū)域，微裂紋加劇了應(yīng)力集中狀態(tài)，同時磷元素過高，易引發(fā)氫致裂紋[5]，促進(jìn)了氫致裂紋的形成與擴展，最終表現(xiàn)為氫脆斷裂。

      金相組織顯示，終斷區(qū)一側(cè)微裂紋內(nèi)部存在填充物，經(jīng)能譜分析，填充物化學(xué)成分與斷裂起始區(qū)覆蓋物相似，可能為同一種物質(zhì)。該覆蓋物為斷裂后粘附于斷口的可能性不大，結(jié)合安裝工藝，推斷浸漆工序前該螺栓頭下圓角已經(jīng)發(fā)生開裂，油漆滲入裂紋并沉積于裂紋斷面。與前文分析微裂紋產(chǎn)生于安裝過程的結(jié)論相吻合。

  1）螺栓失效模式為氫脆斷裂，引起螺栓發(fā)生氫脆斷裂的主要原因是頭下圓角表面存在因滲磷層導(dǎo)致的安裝微裂紋；

2）“GB/T 3098.1-2010 緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱”標(biāo)準(zhǔn)中表2注解h為“12.9級表面不允許有金相能測出的白色磷化物聚集層，去除磷化物聚集層應(yīng)在熱處理前進(jìn)行”。國標(biāo)明確規(guī)定12.9級螺栓應(yīng)在熱處理前去除磷化層。但在實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，筆者經(jīng)常會接到生產(chǎn)業(yè)者咨詢，內(nèi)容都是關(guān)于如果磷化層未去除會對緊固件產(chǎn)生多大的影響。一方面生產(chǎn)業(yè)者可能對國標(biāo)理解不充分，另一方面可能存在僥幸心理，認(rèn)為表面薄薄的一層磷化聚集層并不會對緊固件性能產(chǎn)生明顯的不良影響。在本案例中，送檢螺栓各項檢測項目均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是由于頭下圓角表面存在深度僅為幾十微米的磷化聚集層，牽一發(fā)而動全身，最終導(dǎo)致發(fā)生螺栓斷裂，履帶板脫落的事故。“千里之堤毀于蟻穴”，對于緊固件這類重要的承力連接件，一旦失效斷裂，很容易發(fā)生安全事故，切不可心存僥幸心理。