齿圈螺栓断裂原因分析

摘要：通过化学成分、金相检验和扫描电子显微镜等方法对齿圈螺栓进行分析，结果表明：齿圈螺栓断裂是由于氢脆延迟断裂而造成的。针对断裂原因分析了氢脆产生的原因和采取预防措施。

关键词：齿圈螺栓;氢脆;延迟;预防措施

1.情况说明：

据某柴油机公司相关人员介绍：齿圈螺栓先用风动扳手进行装配，然后使用清洗剂进行清洗。在装车前的放置过程中发现有多个螺栓突然发生断裂，断裂部位有一定的规律性。为了找出螺栓断裂的原因，避免下次同类情况的发生，挑选出有代表性的断裂螺栓进行宏观、微观分析。齿圈螺栓技术要求：材料为40Cr，强度等级为12.9级。表面镀锌。

2.检验结果：

2.1宏观观察

齿圈、飞轮和过渡圈三个零件通过齿圈螺栓联接起来，其装配宏观形貌如图1。螺栓在两个部位发生断裂。其只能够一个部位是断在头杆交接处，另一个部位是断在螺栓螺纹根部，这两个部位均有机加工尖角，如图2。两个不同部位的断口均为一次性脆性断口，断口颜色为银白色，开裂源处未发现有明显的宏观缺陷存在，如图3、4。

图   1  齿圈螺栓装配的宏观形貌

图2  断裂螺栓和未使用螺栓的宏观形貌

图3  1#螺栓断口的宏观形貌

图 4  3#螺栓断口的宏观形貌

2.2微观观察

用扫描电子显微镜对1、3#螺栓（断在不同部位）断口进行微观形貌观察，发1、3#螺栓断口开裂源处，且断口的微观形貌均为沿晶断口。如图5、6。 

 图5  1#螺栓断口开裂源的 SEM形貌——沿晶断口

图6  3#螺栓断口开裂源的 SEM形貌——沿晶断口

2.3金相

在断口附近、螺栓头取样，进行显微观察，其结果见表1。

表  1  断裂螺栓的组织

2.4硬度

在断口附近和螺栓头取样，进行硬度检测，其结果见表2。

表  2   断裂螺栓的硬度（HRC）

2.5化学成分

在断裂的螺栓里任取一个，进行化学成分分析，其检测结果见表3。

表   3  螺栓的化学成分（质量分数，%）

3.分析讨论:

3.1齿圈螺栓硬度和组织符合技术要求。

3.2齿圈螺栓的化学成分符合技术要求。

3.3由于齿圈螺栓的断裂过程（装配预紧应力作用下延迟断裂）、生产过程（经过镀锌处理）、断裂部位（头杆交接处和螺纹根部均存在尖角应力集中）、断口特征（脆性断口特征）等因素符合氢脆断裂特征，因此确定螺钉断裂为氢脆所致。

4.结论：

齿圈螺栓在装配后放置过程中发生断裂是由于氢脆造成的。

5.采取的措施：

氢脆属于缓慢应力作用下的延迟破断。由于这种破断失效常常是在零件通过正常检验合格后突然发生的（到目前为止尚没有有效手段，能对未使用的零件准确判断是否会发生氢脆），只能通过零件生产过程中的工艺控制来避免零件氢脆的发生。

5.1零件在镀锌过程中，由于酸洗和镀锌时都会使得零件吸氢，因此零件在完成镀锌过程后，应及时进行去氢处理（将零件加热到100~300℃，保温1~5h,可以去氢）。

5.2采用新的表面处理技术——达克罗技术，使得材料处理过程杜绝吸氢现象发生。达克罗技术是当今国际金属表面处理的高新技术，其涂层具有极好的抗腐蚀性，无氢脆，耐高热， 整套工艺采用全过程闭路循环涂覆方式，具有全过程无污染排放特性，可代替电镀锌、电镀镉、热浸镀锌等传统工艺，是一种“绿色电镀”。其优势具有以下几点：

1.超强的耐蚀性能。

2.无氢脆性：工件的前处理在密封的抛丸机内进行，不进行酸洗，这就排除了氢离子侵蚀钢铁基体的可能性。因此，达克罗涂层特别适用于δ ＞ 1000N/mm2高强度螺栓和弹簧种类的工件。

3.高耐热性：达克罗可以耐高温腐蚀，耐热温度可达300℃以上。而传统的镀锌工艺，温度达到100℃ 时就已经起皮报废了。

4.结合力及再涂性能好：达克罗涂层与金属基体有良好的结合力，而且与其它附加涂层有强烈的粘着性，处理后的零件易于喷涂着色，与有机涂层的结合力甚至超过了磷化膜。

5.良好的渗透性：由于静电屏蔽效应，工件的深孔、狭缝，管件的内壁等部位难以电镀上锌，因此工件的上述部位无法采用电镀的方法进行保护。达克罗则可以进入工件的这些部位形成达克罗涂层。

6.无污染和公害：达克罗在生产加工及工件涂覆的整个过程中，不会产生对环境有污染的废水废气， 不用三废治理，降低了处理成本。

作者简介：杨永生（1978—），男，河南洛阳人，中国一拖集团有限公司工艺材料研究所金属材料研究室主任，高级工程师，学士学位，主要从事金属材料金相、性能、失效分析等工作。