12.9级六角头螺栓断裂失效分析

1. 概述
委托方提供两枚断裂螺栓残件及两件同批次完好螺栓，两残件为同一断裂件的两部分，断口吻合。该螺栓规格为M24×2×140，性能等级12.9级，材质为35CrMo，样品表面发黑处理。该螺栓安装在车辆主减速器轴承安装压盖上，安装扭矩900N•m，车辆运行500小时后发现螺栓断裂。图1所示为送检的失效螺栓与完好螺栓宏观形貌，可见断裂位置位于螺纹部位，断面垂直于螺栓轴向，断面附近无明显宏观塑性变形。
送检螺栓宏观形貌
图1 送检螺栓宏观形貌
图2所示为经去油污处理后的断面宏观照片，可见两断面上部区域均有一扇形腐蚀区，扇形腐蚀区的圆心位于断口边缘的螺纹处，该处锈蚀特别严重，圆心外围则腐蚀相对较轻，呈灰褐色，扇形区域之外为新鲜断口。从断面条纹走向可知断裂源区即为扇形腐蚀区的圆心位置，该部位正好位于螺纹牙底。值得注意的是，经比对发现，位于两断面上的扇形腐蚀区的外形完全吻合，这说明腐蚀发生在断口分离之前，所以可排除由于断口后期保存不当造成腐蚀的可能。
断面宏观形貌
图2 断面宏观形貌
2. 扫描电镜断口分析
图3所示为断面扫描电镜宏观形貌，图中所示A区为断裂源区，即为图2中所示的扇形腐蚀区的圆心位置，另外可见裂纹源外侧的螺纹面上也有腐蚀造成的麻坑。
断裂源区宏观形貌
图3 断裂源区宏观形貌
图4所示为裂纹源区外侧螺纹面上的形貌，可见由腐蚀造成的麻坑
螺纹面上的腐蚀麻坑
图5所示为裂纹源区能谱分析结果，可见断面腐蚀产物中含有Cl、S等元素。
断裂源区能谱分析
图6、图7所示为经清洗后的裂纹源区微观照片，可见冰糖状沿晶形貌，并伴有晶界二次裂纹，图7所示还可见晶面上有少量鸡爪痕。
断裂源区微观形貌
图6 断裂源区微观形貌

图7 断裂源区微观形貌
图8所示为断面快速扩展区微观形貌，可见准解理形貌。
断面快速扩展区微观形貌
图8 断面快速扩展区微观形貌
图9所示为试样断面终断区微观形貌，可见韧窝形貌。

图9 断面终断区微观形貌
3. 金相检测
图10所示为断裂螺栓芯部金相组织，为回火索氏体组织。
试样芯部金相组织
图10 试样芯部金相组织
图11所示断裂螺栓纵向剖面非金属夹杂物评定，根据“GB-T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准”可评定为D类（球状氧化物夹杂，细系）1.5级。
断裂螺栓非金属夹杂物评定
图11 断裂螺栓非金属夹杂物评定
图12所示为断裂螺栓完好螺纹处金相组织，可见螺纹牙侧碳势正常，螺纹牙顶存在折叠，但折叠深度未超过牙高的1/4，根据“GB/T 5779.1-2000”规定，此类折叠允许存在，且牙顶折叠不是造成螺栓断裂的原因。

图12 断裂螺栓螺纹金相
4. 硬度检测
对断裂螺栓进行硬度试验，结果如表1所示，螺栓芯部硬度已接近“GB/T 3098.1-2010紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱”标准中对12.9级螺栓硬度要求的上限。
表1 断裂螺栓硬度检测结果
断裂螺栓硬度检测结果
5. 螺栓材质分析
表2 断裂螺栓化学成分
采用直读光谱法对断裂螺栓进行化学成分分析，结果如表2所示，化学成分符合“GB/T3077-1999”标准中对35CrMo钢的要求，如表2所示。
断裂螺栓化学成分
6. 螺栓氢含量测定
对断裂件及完好件分别进行氢含量检测，结果如表3所示。完好螺栓氢含量较低，断裂螺栓芯部氢含量也未见明显异常，唯裂纹源附近氢含量较高，这说明螺栓的制造工艺未导致明显的渗氢，裂纹源处的氢应来自外来介质腐蚀。
表3 螺栓氢含量检测
螺栓氢含量检测
7．综合分析
断裂螺栓断口附近未见明显宏观塑性变形，断面大面积为沿晶、准解理形貌，为脆性断裂；裂纹源位于螺纹牙底，该处腐蚀严重，能谱分析显示腐蚀产物中含有Cl、S等元素；氢含量检测结果表明，裂纹源处氢含量较高，其余部位较低，完好螺栓也未见渗氢。断面微观形貌显示，裂纹源处为沿晶断口，并伴有晶间二次裂纹及晶面鸡爪痕，呈氢脆断裂特征。综上分析可知，螺栓是受到外来物质腐蚀后，导致局部渗氢并引起氢脆断裂。
8. 结论。
一、螺栓的断裂性质为氢脆；
二、引起螺栓氢脆断裂的原因是螺栓受到外来介质腐蚀而导致局部渗氢；
三、螺栓化学成分、硬度均符合标准要求，金相组织正常。