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緊固件典型失效形式（氫脆、應(yīng)力腐蝕、疲勞）及案例解析

2022-11-07 13:28:10 作者：設(shè)備管理與防腐來(lái)源：設(shè)備管理與防腐分享至：

氫致延遲斷裂

由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致?lián)p傷，從而使金屬零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力持續(xù)作用下導(dǎo)致的失效稱(chēng)為氫致延遲斷裂，俗稱(chēng)氫脆。

根據(jù)氫的來(lái)源可分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆。

氫脆斷裂

宏觀特征

斷裂多發(fā)生在螺紋牙底或頭部與桿部過(guò)渡位置等應(yīng)力集中處；
斷口附近無(wú)宏觀塑性變形，斷口平齊，結(jié)構(gòu)粗糙，氫脆斷裂區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀，色澤為亮灰色，斷面干凈，無(wú)腐蝕產(chǎn)物；

氫脆斷口上一般可見(jiàn)放射棱線；
氫脆斷裂源可在表面，也可在次表層，這主要與拉伸應(yīng)力水平、加載速率及缺口半徑、氫濃度的分布等因素有關(guān)。

氫脆斷裂

微觀特征

氫脆斷口微觀形貌受到諸多因素的影響：材料種類(lèi)、材料成分、強(qiáng)度級(jí)別、組織形態(tài)、晶粒大小、加工方式、使用環(huán)境、受力條件、工作時(shí)間及氫含量等；
氫脆裂紋一般無(wú)分叉；
斷口微觀形貌一般顯示沿晶分離，也可能是穿晶的；
高強(qiáng)鋼沿晶面平坦，沒(méi)有附著物，有時(shí)可見(jiàn)白亮的、不規(guī)則的細(xì)亮條，這種線條是晶界最后斷裂位置的反映，并存在大量的雞爪形的撕裂棱；

氫脆斷裂微觀形貌在斷口的不同區(qū)域呈現(xiàn)過(guò)渡變化特征與裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子K有關(guān)；
裂紋開(kāi)裂早期，K值較低，斷口呈晶間斷裂。裂紋再向前擴(kuò)展，在中等K值下，斷口微觀形貌呈現(xiàn)為解理開(kāi)裂特征，并逐漸向準(zhǔn)解理與韌窩形貌轉(zhuǎn)變；在K值很大時(shí)，斷口一般呈現(xiàn)穿晶+韌窩或韌窩形貌。

沿晶→解理、準(zhǔn)解理→韌窩

氫脆斷裂的判據(jù)

緊固件是否是延遲斷裂；
緊固件工作應(yīng)力主要是拉應(yīng)力，沒(méi)有使用的緊固件一般是受到較大的殘余應(yīng)力作用所致；
氫脆斷裂的臨界應(yīng)力極限σH隨著材料強(qiáng)度的升高而急劇下降；一般鋼硬度低于22HRC時(shí)不發(fā)生氫脆斷裂而產(chǎn)生鼓泡；
起裂區(qū)微觀呈沿晶形貌，晶面可見(jiàn)雞爪狀撕裂棱和晶間二次裂紋；
氫含量并非為發(fā)生氫脆的唯一判決，受多種因素共同影響，對(duì)于高強(qiáng)度緊固件，甚至氫含量在低于1ppm的情況下也會(huì)發(fā)生延遲斷裂。

案例解析1：

某規(guī)格12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓發(fā)生氫脆斷裂，斷裂位于頭桿連接過(guò)渡部位。

斷面不同區(qū)域呈現(xiàn)出隨應(yīng)力強(qiáng)度因子K的變化而導(dǎo)致的不同微觀特征，有沿晶→準(zhǔn)解理→韌窩。

表面增碳導(dǎo)致硬度超限，且基體硬度較高（表面495HV0.3）；
圓角過(guò)渡不流暢，加劇了應(yīng)力集中；
滲磷層導(dǎo)致了表面脆性，增加了缺陷產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)；
氫含量約1.2ppm。

案例解析2：

某規(guī)格10.9級(jí)風(fēng)電螺栓在安裝完成后部分螺栓發(fā)生斷裂，螺栓表面可見(jiàn)白銹痕跡，斷裂位于頭桿過(guò)渡部位。

表面增碳導(dǎo)致硬度偏高；
熱處理導(dǎo)致的組織不均勻?qū)渲缕茐拇嬖诖龠M(jìn)作用；
陰極消耗型保護(hù)性涂層發(fā)生破壞并腐蝕時(shí)會(huì)形成原電池產(chǎn)生氫，這些氫將被基體吸收，進(jìn)一步促進(jìn)氫致破壞。

應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是指材料或零件在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象，沒(méi)有明顯的塑性變形痕跡。

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件

拉伸應(yīng)力：引起應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力為拉應(yīng)力，材料不同、環(huán)境不同時(shí)所需要的拉伸應(yīng)力大小不同。能引起金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的最小應(yīng)力稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的臨界應(yīng)力，常用σscc表示；
特定腐蝕環(huán)境：如Cl-，H+，H2S，SO42-等；

材料應(yīng)力腐蝕敏感性：純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。但幾乎所有的合金在特定的腐蝕環(huán)境中，都會(huì)引起應(yīng)力腐蝕裂紋。

應(yīng)力腐蝕宏觀特征

斷口平直，與正應(yīng)力垂直；
源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)通常色澤暗灰，常有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，離源區(qū)越近，腐蝕產(chǎn)物越多；
斷口有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似疲勞弧線的特征；
裂紋源處常有腐蝕產(chǎn)物或點(diǎn)蝕坑—即應(yīng)力腐蝕裂紋源于點(diǎn)蝕、晶間腐蝕等化學(xué)損傷缺陷。

應(yīng)力腐蝕微觀特征

斷口微觀形態(tài)：解理或準(zhǔn)解理、沿晶斷裂或混合型斷口；
大多數(shù)應(yīng)力腐蝕斷面腐蝕產(chǎn)物呈泥紋花樣，存在腐蝕性元素；
微觀斷口上常見(jiàn)二次裂紋，沿晶界面上一般存在腐蝕溝槽或細(xì)小的蝕坑，晶粒外形輪廓常因腐蝕失去其清晰度，晶界加寬；
裂紋擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)發(fā)生裂紋分叉現(xiàn)象。

影響緊固件發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效的因素

★ 材質(zhì)因素：雜質(zhì)元素在晶界偏析能引起腐蝕速率的局部差異，在裂紋與夾雜物相遇時(shí)，夾雜物能夠引起裂尖的化學(xué)變化；

★ 受力狀態(tài)：應(yīng)力來(lái)自工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、腐蝕產(chǎn)物的楔入應(yīng)力。構(gòu)件表面或內(nèi)部的缺陷、幾何形狀的變化、截面變化等都會(huì)使局部應(yīng)力提高，加速應(yīng)力腐蝕；

★ 環(huán)境因素

案例解析：

某動(dòng)車(chē)組夾鉗緊固螺栓在服役過(guò)程中發(fā)生斷裂失效，螺栓規(guī)格為M16×120，性能等級(jí)為12.9級(jí)。