Page 85 - 理化检验-物理分册2024年第十期

王祺瑞，等：飞轮螺栓断裂原因

区域较少，韧窝形貌不明显 。 表1 两件螺栓断裂面能谱分析结果 %
[3]
对两件螺栓的断裂面进行能谱分析，结果如表1 质量分数
项目
所示。由表1可知： 螺栓断面不存在异常元素。 C Cr Mn Fe
1.3 金相检验 1号螺栓实测值 14.92 0.82 0.48 83.77

在1，2号螺栓断口位置截取并制备金相试样， 2号螺栓实测值 13.86 0.93 0.59 92.63
用体积分数为3%~5%的硝酸乙醇溶液对试样进行 常非金属夹杂物。螺栓的断裂区域显微组织未发现
腐蚀，再将试样置于光学显微镜下观察，结果如图4 异常情况，与其他正常区域组织相同，均为回火索
所示。由图4可知：螺栓的显微组织细小，未发现异 氏体。

图 4 螺栓断口的微观形貌
1.4 化学成分分析 1.5 硬度测试
在1，2号螺栓断口附近截取试样，用直读光谱 在1，2号断裂螺栓上截取试样，对试样进行洛
仪对试样进行化学成分分析，结果如表2所示。由 氏硬度测试，结果如表3所示。由表3可知：断裂螺
表 2可知：两件断裂螺栓的化学成分均符合GB/T 栓的硬度符合GB/T 3098.1—2010对 12.9级螺栓的
3077—2015对42CrMo钢的要求。 洛氏硬度要求，但结果接近标准要求的上限。
表2 1,2号断裂螺栓化学成分分析结果 %
质量分数
项目
C Si Mn S P Cr Mo
1号螺栓实测值 0.40 0.21 0.67 0.007 0.009 0.95 0.21
2号螺栓实测值 0.42 0.26 0.68 0.007 0.009 0.98 0.20
标准值 0.38~0.45 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.035 ≤0.035 0.90~1.20 0.15~0.25

表3 1,2号断裂螺栓硬度测试结果 HRC 载作业，说明螺栓没有过载受力。断口宏观形貌呈

测试点1 测试点2 测试点3 硬度 明显的脆性断裂特征，呈暗灰色，整体区域较平整，
项目
硬度 硬度 硬度 平均值 有撕裂棱线状微条纹。断口断裂源区及扩展区主要
1号螺栓实测值 43.2 43.6 43.7 43.5 呈沿晶断裂特征，呈现冰糖状断口，并存在二次扩展
2号螺栓实测值 43.0 42.8 43.2 43.0 裂纹；终断区局部出现韧窝形貌，这是因为最后断裂
标准值 39~44 39~44 39~44 39~44 位置不是由氢原子扩散引起的。整个断裂过程是由
2 综合分析 脆性断裂引起的，最终导致整个螺栓头部被撕裂，在
最后断裂位置出现小角度倾斜。引起螺栓掉头的主
由上述理化检验结果可知：两件断裂螺栓的化
要原因是螺栓断面上的半圆形异常区域，这些异常
学成分、硬度、显微组织等各项指标均符合标准和设 区域的共同特征是位置为近外圆处、形状为半圆形、
计要求。生产制造后对全部螺栓进行磁粉检测，外 呈沿晶断裂特征、与正常区域有明显界限等，所有这

部确认没有裂纹。螺栓显微组织正常，无冷却速率 些特征均符合氢脆特征 。
[4]
过快或过热的异常组织，因此可以确定裂纹是在后 氢脆是指氢原子侵入材料的基体中，聚合成氢
续使用过程中产生的。现场工况反馈没有出现高负 分子，体积膨胀产生极大的内压，当其超过材料的强
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