汽车某法兰螺栓，材料牌号为40Cr，规格型号性能等级为M10X1.25/YC10.9级，执行标准GB/T?，表面经镀锌防锈处理。此螺栓产品用于汽车某零部件总成连接，在装配48?h后螺栓头部和杆部结合处发生自然断裂。为找到断裂原因，对断裂螺栓进行了综合分析。

1.1　断口分析

对螺栓断裂失效样品进行断口形貌分析，测试结果如下:

(1)如图1所示，在装配48?h后法兰螺栓头部和杆部结合处发生自然断裂，此处应用面积大于螺纹处，断裂处无明显塑性变形。

图1　螺栓断裂样品

(2)如图2—4所示：断裂源于螺栓头部和杆部结合处的外表面R角位置，并向螺栓中心扩展。扩展区(A、C区)主要为沿晶脆性断口，沿晶面上有明显的塑性变形韧窝(鸡爪痕)和微孔特征及大量的晶界分离沟槽，表现为典型氢脆断口特征。

(3)如图5所示，断口中心B区为塑性韧窝带，此区为螺栓受力面积变小在静载荷下产生的断裂终断区。

图2　断口宏观形貌(箭头处为裂纹源)

图3　A区域断口微观形貌

图4　C区域断口微观形貌

图5　B区域断口微观形貌

综合以上分析,综合断面形貌和断裂背景情况，推断此螺栓为氢脆延迟断裂。

1.2　化学成分分析

对螺栓断裂样品和正常样品进行化学成分分析，测得的结果如表1所示。

从表1可见：此断裂螺栓和正常螺栓化学成分均符合标准GB/T3077-1999对牌号40Cr的要求。

表1　化学成分测试结果　%元素wCwSiwMnwPwSwCr断裂样品正常样品标准0.37～0.440.17～0.370.56～0.80≤0.035≤～1.10

1.3　实物拉伸测试

对同批次正常样品进行实物拉伸测试，测试结果如表2所示。

表2　拉伸性能测试结果测试结果拉伸强度Rm/(N·mm-2)正常件正常件

标准GB/T?对10.9级螺栓要求为Rm≥1?040?N/mm2，因此同批次正常样品拉伸强度合格。

1.4　金相分析

对螺栓正常样品和断裂失效样品进行金相分析，测试结果如表3所示。

表3　金相分析结果测试项目描述显微组织(1)如图6—11所示:正常样品组织主要为正常的回火索氏体,螺栓表面有脱碳现象;(2)如图12—18所示:断裂样品组织主要为正常的回火索氏体,断裂处和基体组织无差异,断口塑性韧窝位置和沿晶脆性区域组织无差异,螺栓表面有增碳现象非金属夹杂物(级别)正常样品A-粗A-细B-粗B细C-粗C-细D-粗D-细断裂样品

图7　正常样品组织(100×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)

图8　正常样品螺纹组织(100×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)

图9　正常样品芯部组织(500×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)

图10　正常样品表面组织(500×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)

图11　正常样品抛光形貌(25×，未浸蚀)

图12　断裂样品组织(25×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)

图13　断裂样品组织(100×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)

图14　断裂样品螺纹组织(100×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)

图15　断裂样品螺纹组织(100×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)

图16　断裂样品表面组织(500×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)图17　断裂样品断口组织(500×，4%硝酸酒精溶液浸蚀)

图18　断裂样品抛光形貌(100×，未浸蚀)

1.5　硬度测试

对螺栓正常样品和断裂样品进行硬度测试，具体结果如表4所示。

对螺栓正常样品和断裂样品进行表面硬度和芯部硬度测试，具体结果如表5所示。

表4　硬度测试结果维氏硬度HV10第一点第二点第三点平均值标准GB/T对10.9级螺栓要求判断正常样品HV343HV349HV349HV347HV320～HV380合格断裂样品HV354HV360HV352HV355HV320～HV380合格

表5　表面硬度和芯部硬度测试结果维氏硬度HV0.3第一点第二点第三点平均值标准GB/T对10.9级螺栓要求判断正常样品表面硬度HV313HV305HV309HV309芯部硬度HV329HV330HV334HV331断裂样品表面硬度HV438HV438HV435HV437芯部硬度HV349HV347HV352HV349表面硬度不应比芯部硬度高HV30,表面硬度不应超过HV390合格不合格

1.6　脱碳和增碳试验

对螺栓正常样品和断裂样品进行脱碳和增碳测试,测试结果如表6所示。

表6　测试结果测试结果维氏硬度HV0.3HV(1)HV(2)HV(3)评价正常样品HV343HV363HV370符合标准要求断裂样品HV408HV484HV490表面增碳,不符合标准要求

标准GB/T?要求：

未脱碳：HV(2)≥HV(1)-30