高壓壓鑄機(jī)鎖模油缸采用緊固螺栓連接，由于緊固零部件的結(jié)構(gòu)限制，常常采用扳頭作為連接液壓扭力扳手和螺栓的過渡工具。在一次常規(guī)擰緊作業(yè)時(shí)，液壓扳頭發(fā)生斷裂(見圖1)。據(jù)了解，在發(fā)生斷裂前，液壓扳頭已經(jīng)完成了35根螺釘?shù)木o固工作，在進(jìn)行第36根螺釘加力時(shí)扳頭破裂，扳頭的孔徑為46 mm。根據(jù)安裝手冊，緊固螺栓的規(guī)格為M64-10.9級(jí)，其緊固扭力為14 400 N·m，實(shí)際液壓扳手的扭力為14 351 N·m，使用過程符合規(guī)范要求，并未過載使用。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對扳頭斷裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。 

圖  1  斷裂液壓扳頭的宏觀形貌

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

扳頭斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：扳頭斷裂為2塊，各斷裂塊斷口平齊，未見明顯宏觀塑性變形，斷口表面粗糙，呈脆性斷裂特征；扳頭斷口呈結(jié)晶狀，斷面上有明顯放射狀條紋，并收斂于結(jié)構(gòu)上存在應(yīng)力集中的方孔拐角處，即為裂紋源，斷口呈一次性瞬時(shí)斷裂特征。 

圖  2  扳頭斷口的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在扳頭上鉆取碎屑，對碎屑進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂扳頭的化學(xué)成分滿足GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMo鋼的要求。 

1.3   金相檢驗(yàn)

在扳頭裂紋源位置截取金相試樣，將試樣拋光后置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：試樣中未發(fā)現(xiàn)明顯非金屬夾雜物，根據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)方法》對非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果為A0.5、B0.5、C0.5、D0.5級(jí)，表明材料的純凈度較高。 

圖  3  扳頭裂紋源位置的微觀形貌

將試樣用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸乙醇溶液腐蝕，觀察其顯微組織形貌，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：扳頭材料的組織為馬氏體，根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對材料的原始奧氏體晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果為6級(jí)，試樣中未發(fā)現(xiàn)材料冶金及熱處理缺陷等異常組織形貌。 

圖  4  扳頭裂紋源位置的顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡（SEM）分析

在扳頭裂紋源位置制取試樣，利用掃描電鏡對試樣進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：試樣整個(gè)斷裂面均呈沿晶+韌窩混合斷裂特征，沿晶斷裂晶面上存在細(xì)微撕裂棱，部分晶粒輪廓清晰，且存在二次裂紋，微觀形貌符合氫脆斷裂特征[1-2]。 

圖  5  扳頭裂紋源位置的SEM形貌

為驗(yàn)證扳頭材料是否存在晶界弱化現(xiàn)象，在扳頭殘留試樣對試樣上制取試樣，利用萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲壓斷試驗(yàn)，將斷口置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：整個(gè)斷口呈解理斷裂特征，未發(fā)現(xiàn)沿晶斷裂特征形貌，由此可以排除扳頭材料存在晶界弱化的可能。 

圖  6  人工斷口的SEM形貌

1.5   硬度測試

在扳頭上取樣，對試樣進(jìn)行洛氏硬度測試，扳頭試樣的硬度測試結(jié)果為54，54，54.5 HRC，硬度偏高，不滿足技術(shù)要求（45~50 HRC）。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：扳頭斷口附近無宏觀塑性變形，整個(gè)斷口平齊，表面粗糙，斷裂區(qū)呈結(jié)晶狀，斷面干凈、無腐蝕產(chǎn)物，斷裂邊緣位置伴有剪切唇，扳頭斷裂性質(zhì)為脆性斷裂；斷口呈沿晶+韌窩斷裂特征，在沿晶斷裂區(qū)域，晶粒輪廓清晰，部分晶面上存在塑性撕裂棱，具有氫脆斷裂微觀特征；人工斷口呈解理斷裂特征，未發(fā)現(xiàn)沿晶斷裂特征形貌，可以排除材料本身晶界弱化的可能；斷裂起源于扳頭方孔的拐角位置，在結(jié)構(gòu)上存在應(yīng)力集中。綜合上述斷裂特征，結(jié)合扳頭在使用時(shí)承受靜態(tài)工作應(yīng)力的情況，判斷扳頭斷裂性質(zhì)為氫致脆性斷裂。 

根據(jù)氫致脆性理論可知，金屬是鋼中原子之間鍵合力相互作用的連續(xù)體，當(dāng)鋼中部分位置承受的應(yīng)力大于材料自身的原子鍵合力時(shí)，原子鍵會(huì)斷裂，導(dǎo)致原子之間失去相互吸引力，即裂紋開始萌生。研究表明，氫的存在會(huì)導(dǎo)致鋼內(nèi)原子鍵合力減小，當(dāng)鋼中出現(xiàn)氫時(shí)，鋼內(nèi)裂紋萌生強(qiáng)度因子會(huì)減小[3]。 

斷裂扳頭的氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 6%。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，若高強(qiáng)鋼中氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.000 2%，則不會(huì)發(fā)生氫脆現(xiàn)象。但氫脆的產(chǎn)生還與材料強(qiáng)度、化學(xué)成分和顯微組織等因素有關(guān)。在高強(qiáng)鋼材料中，氫脆敏感性與材料強(qiáng)度呈正相關(guān)，材料的硬度和強(qiáng)度越高，對氫脆的敏感性越大，發(fā)生氫脆斷裂的臨界氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著材料強(qiáng)度的升高而急劇減小[4]。 

扳頭的硬度為54 HRC，換算成強(qiáng)度則大于2 000 MPa，碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41%。根據(jù)臨界氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)與臨界氫應(yīng)力的回歸計(jì)算公式，當(dāng)鋼中氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 6%時(shí)，發(fā)生氫脆的臨界應(yīng)力為530 MPa，臨界應(yīng)力只有其強(qiáng)度的25%。說明該強(qiáng)度級(jí)別的鋼在氫含量較低和應(yīng)力較小的條件下，就可以發(fā)生氫脆開裂。 

另一方面，氫脆敏感性與材料的顯微組織密切相關(guān)，根據(jù)組織中固溶飽和度和晶體結(jié)構(gòu)的不同，組織對氫脆敏感性從大到小的排序依次為：馬氏體、貝氏體、珠光體和奧氏體。扳頭材料的組織為馬氏體，屬于氫脆敏感性最大的組織。 

扳頭的材料為42CrMo鋼，該類鋼屬于中碳低合金鋼。一般采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝可以使材料具備良好的綜合性能。但該扳頭的熱處理工藝為淬火+低溫回火處理，導(dǎo)致扳頭的組織為馬氏體，馬氏體屬于未回火或回火不充分組織。材料在該狀態(tài)下性能表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度較高，塑性和韌性較差。在使用時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力大、應(yīng)力明顯集中、組織脆性大、氫脆敏感性高等問題。 

綜合上述分析，雖然扳頭材料中氫含量較低，但其強(qiáng)度較高，組織的氫脆敏感性較大，導(dǎo)致扳頭發(fā)生斷裂。 

3.   結(jié)論及建議

扳頭的熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致材料強(qiáng)度偏高，組織出現(xiàn)馬氏體，最終導(dǎo)致材料發(fā)生氫致脆性斷裂。 

建議在后續(xù)生產(chǎn)中，提高回火溫度，將材料硬度控制為（45±3） HRC，可以降低材料的氫脆敏感性，避免材料發(fā)生斷裂。

文章來源——材料與測試網(wǎng)