張 輝

(上海賽科石油化工有限責任公司，上海 200051)

某公司于2016年11月2日3:37發(fā)現(xiàn)25線擠出機因粒子過大，經(jīng)停車后檢查發(fā)現(xiàn)：模板隔熱板固定螺釘出現(xiàn)三處斷裂，此外，還發(fā)現(xiàn)模板隔熱板上的固定螺釘受沖刷現(xiàn)象比較嚴重，在切粒刀刀把上有擠壓痕跡。因此，對模板隔熱板上的固定螺釘進行再次檢查緊固。用于緊固的螺釘為內六角承頭螺釘，規(guī)格為M8×25 mm，等級為10.9。在之后的緊固過程中再次出現(xiàn)三處斷裂，斷裂螺釘位置如圖 1所示。該斷裂螺釘同擠出機模板為2016年3月6日更換。螺釘在工作時候和聚丙烯介質和水接觸。該工作面正面溫度為50 ℃。為判斷本次失效的原因，文中對失效螺釘進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

將擠出機模板中斷裂的螺釘取出，如圖2所示。可以看出，斷裂的螺釘受污染較嚴重(新螺釘表面經(jīng)過電鍍鋅處理)，斷口上附著的腐蝕產物。肉眼無法分辨起裂點等斷口形貌特征?？梢杂^察到總體斷口平齊，未出現(xiàn)過大形變，沒有頸縮現(xiàn)象。

1.2 金相檢驗

取其中一處斷裂螺釘剖分并制備金相試樣，通過對金相觀察，如圖 3所示。金相組織為回火索氏體和回火貝氏體，為淬火后中溫回火后得到的組織。對裂紋進行觀察，可見開裂主要為沿晶裂紋特征。螺紋牙底處表面覆蓋有電鍍層，且未觀察到缺陷存在。

圖1 斷裂螺釘位置示意圖

(a)螺釘斷口截面；(b)螺釘斷裂位置

(a)斷口處沿晶裂紋；(b)螺紋牙底形貌

1.3 化學成分分析

對失效螺釘和新螺釘進行化學成分分析，結果如表1所示。

表1 螺釘化學成分檢測結果(質量分數(shù)，%)

根據(jù)GB/T 3098.1—2010 《緊固件機械性能-螺栓、螺釘和螺柱》標準，本例中使用的45鋼符合10.9級螺釘選材要求。

1.4 掃描電鏡分析

對螺釘斷口進行掃描電鏡分析，如圖4所示斷口整體平齊，但由于斷口覆蓋有較厚且無法去除的腐蝕產物，通過掃描電鏡觀察無法得到有效的斷口特征。

1.5 能譜分析

為檢測斷口腐蝕產物組成，對斷口表面進行能譜分析，結果如2所示，斷口上C元素和O元素的含量較高，表明斷口上覆蓋的污染物為原始物料。此外，斷口表面還存在Na元素，來源于脫鹽水中雜質殘留。結果中的Zn元素來源于螺釘生產過程中電鍍過程。

圖4 斷口掃描電鏡形貌

表2 斷口表面能譜分析結果(質量分數(shù)，%)

1.6 硬度測試

為驗證該失效螺釘及新螺釘所用材料的硬度指標是否滿足10.9級螺釘要求，對每根螺釘取5點進行硬度測試，試驗測得結果如表3所示。結果表明失效螺釘及新螺釘都滿足GB/T 3098.1—2010 《緊固件機械性能-螺栓、螺釘和螺柱》標準中10.9級規(guī)定范圍，其中失效螺釘硬度最高，為39 HRC。

表3 螺釘硬度測試結果

2 分析與討論

考慮到螺釘所受載荷及工況條件，分別從強度(剪切)失效、應力腐蝕開裂，氫脆開裂幾個角度對螺釘失效可能性進行分析。

1)強度(剪切)失效。受靜載荷螺釘?shù)膹姸仁Ф酁槁菁y部分的塑性變形或螺釘被拉斷，而根據(jù)宏觀觀察，斷口上并沒有塑性變形痕跡。失效螺釘?shù)膹姸鹊燃墳?0.9，即抗拉強度為1000 MPa，屈服強度為900 MPa，屬于高強度螺釘，從化學成分、金相組織和硬度來看均符合要求，螺釘整體同樣沒有發(fā)生明顯的塑性變形，通過金相分析觀察到螺紋牙部位正常?？梢耘懦龔姸仁Э赡苄?。

2)應力腐蝕開裂。根據(jù)金相分析結果，螺釘斷口屬于沿晶的脆性斷口，從開裂現(xiàn)象上看，應力腐蝕開裂也可能會導致高強鋼的沿晶開裂。斷口上有Na元素，堿可以導致低碳鋼產生應力腐蝕開裂，中碳鋼對堿應力腐蝕開裂不敏感。其它應力腐蝕開裂的介質包括CO+CO2、水溶液、硝酸鹽。擠出機使用脫鹽水帶走聚丙烯物料，脫鹽水中不含有以上腐蝕介質，因此同樣排除應力腐蝕的可能性。

3)氫脆開裂。氫脆開裂是指金屬零件吸收大量氫達到飽和及過飽和狀態(tài)時，金屬沖擊吸收功值大幅下降，韌性降低，金屬顯著變脆，在材料承受應力小于屈服強度時裂紋就會產生。其中在鍛造、焊接、酸洗、電鍍等過程中吸收了過量的氫，所產生的氫脆為內部氫脆；而金屬本身不含氫或者含氫量極低，而在后續(xù)使用過程中受到應力和環(huán)境中氫的共同作用下產生的脆性斷裂為環(huán)境氫脆。環(huán)境氫脆除了環(huán)境中含有氫氣的情況外，電化學腐蝕時陰極反應析出的氫同樣會導致金屬發(fā)生氫脆。

內部氫脆又稱為可逆氫脆、慢應變速率催化或氫致延遲斷裂。是由于氫在鋼中呈固溶狀態(tài)，氫原子在晶體缺陷隨機分布，此時鋼中溶解的氫不會使組織發(fā)生明顯變化，僅在慢速率變形中呈現(xiàn)脆性，此時的鋼在常溫下經(jīng)過長期靜置，或經(jīng)過短期加熱，使得氫氣逸出，可以消除氫脆并恢復鋼的力學性能，該氫脆過程為可逆脆性。內部氫脆敏感性與應變速率相關，應變速率越慢敏感性越高，反之敏感性降低，在高于臨界應變速率下，氫脆效應不明顯，這是由于氫脆過程是通過氫擴散至應力集中處，并在這些區(qū)域集聚導致脆化，在慢速率下氫有充分時間擴散，經(jīng)過低應力作用同時局部氫濃度超過臨界氫濃度，鋼內形成裂紋，裂紋形核擴展釋放了應力和晶格膨脹量，在裂紋尖端形成新的晶格膨脹區(qū)，氫繼續(xù)遷移到新的晶格膨脹區(qū)域，在持續(xù)應力作用下進而發(fā)生亞臨界裂紋的慢速擴展，最終導致金屬發(fā)生斷裂。本例中斷口主要為沿晶脆性裂紋，有發(fā)生氫脆開裂失效的可能。由于螺釘制作過程中采用了電鍍鋅工藝需要進一步分析電鍍對產生氫脆開裂的影響。

4)電鍍。螺釘在電鍍過程中與電源陰極連接，在鍍液中Zn2+在陰極螺釘表面得到電子被還原成Zn，完成電鍍過程。在這一過程中，于陰極附近的鍍液中的H+也會得到電子被還原成H原子，也會附著到連接在陰極上的螺釘上并滲入螺釘?shù)膬炔?，從而為螺釘?shù)臍浯嗍峁┛赡堋?/p>

螺釘生產過程中表面進行過電鍍鋅處理，在電鍍的過程中，位于陰極附近的鍍液中的H+也會得到電子被還原成H原子，會附著到連接在陰極上的螺釘上并滲入螺釘?shù)膬炔浚瑥亩鵀槁葆數(shù)臍浯嗍峁湓觼碓碵1-4]。一般情況下高強度螺栓在電鍍后需要立即對螺釘進行去氫熱處理，否則在螺釘安裝后有延遲氫致開裂發(fā)生的可能[5-7]。螺釘為高強度螺栓(>36 HRC)，具有較高氫脆敏感性[8-9]。同時電鍍后的滲入螺釘?shù)臍鋾饾u逸出，氫脆敏感性會降低。發(fā)生氫脆斷裂往往是隨機的，服役的螺釘或者其它構件大約有2%～3%發(fā)生氫脆斷裂，這與本例的隨機螺栓斷裂相符。硬度級別是影響氫脆開裂的主要因素，硬度越高螺釘對氫脆開裂越敏感。10.9級螺釘硬度在32～39 HRC之間，該失效螺釘為該范圍上限值，對氫脆的敏感性較大。

3 結論與措施

1)螺釘斷裂原因為氫脆開裂導致的延遲裂紋，氫的來源為螺釘電鍍鋅過程中氫原子滲入螺釘內部所致，而電鍍后沒有立即對螺釘進行去氫熱處理，最終導致在安裝后一段時間發(fā)生了氫脆開裂。

2)根據(jù)GB/T 52671—2002《緊固件電鍍層》標準要求，建議對其余庫存螺釘進行200 ℃保溫24 h的消氫熱處理?；蚋鼡Q硬度在23～34 HRC的8.8級以下的螺釘。