发动机底座高强度六角头螺栓断裂的失效分析

　　0　引言

　　某紧固件厂生产的一批规格为M12×30mm、性能等级为12.9级的六角头螺栓，材料为42CrMo钢，制造标准为GB/T5782-2000，螺栓表面经发黑处理，其制备工艺为盘条→球化退火→酸洗→磷化→皂化→冷拔→冷镦成型→螺纹加工→清洗→热处理→水洗→氧化(发黑)→水洗→浸防锈油。该螺栓为发动机底座螺栓，在某发动机上安装了8枚，安装24h后发现有2只螺栓断裂，由于发现及时，虽然没有造成发动机部件严重受损，但也影响了发动机的正常工作。为了防止螺栓断裂的再次发生，作者对该螺栓的失效原因进行了分析。

　　1　理化检验与结果

　　由图1可见，螺栓断口平齐，无塑性变形，断面与轴线垂直，为脆性断口，在断口附近无明显的腐蚀痕迹。用线切割从试样断口处切取一块试样，先用酒精清洗，然后利用超声波清洗机在丙酮溶液中清洗20min，再经去离子水清洗后干燥，观察该断口的形貌，并分析其化学成分。以垂直于裂纹源断面方向的侧面作为金相试样的端面，机械磨抛后再用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀，观察其显微组织并测其硬度。

　　1.1　断口宏观形貌

　　采用OlympusSZ61型光学显微镜对螺栓的断口形貌进行观察，由图2可见，螺栓断裂位置为螺纹部分，距螺纹末端约16mm;断口平直，表面粗糙，断口附近无宏观塑性变形，整个断面呈深灰色，其上可见多个银白色亮区。可将断口分为三个区域：即沿螺纹牙根的断口边缘区，该部分颜色较暗，呈现一定的发散状，属于裂纹源区;断口上向中心扩展的部分为裂纹扩展区，该区域呈灰白色，有一定的金属光泽，有少量台阶，整体比较平坦，该区域面积较大，为快速断裂区;断口上牙状白亮部分比较粗糙，为最终瞬断区，附近无缩颈及塑性变形迹象。全部断口沿螺纹牙根形成，高低不平，台阶延伸较长。

　　1.2　断口微观形貌

　　采用S3400N型场发射扫描电子电镜观察断口形貌。由图3(a)可见，裂纹源区微观形貌均为冰糖状沿晶断裂，断面上存在大量的鸡爪形撕裂棱，断口平齐呈冰糖状，没有明显的塑性变形迹象，说明断口呈现较强的脆性，断口形貌属于沿晶脆性开裂，无微观塑性变形特征，晶粒均匀细小。由图3(b)可见，扩展区形貌主要为沿晶和韧窝混合形貌，该区域形貌与裂纹源区大体相同，说明裂纹源区与扩展区断口处的组织相同，该区域未发现有明显的非金属夹杂物和气孔等缺陷[1]。通过电镜可观察到断面上有较多的细小发纹穿过晶界扩展，且有较多的撕裂棱，这是氢脆断口的典型微观特征，扩展区发现有类似于准解理断裂的河流状花样，其断裂机制也属于解理断裂，见图3(c)。高倍下可见瞬断区微观形貌为剪切韧窝，见图3(d)。