Page 86 - 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

度极限时，在内部残余应力或外加应力的共同作用 过程中都存在拉应力，在拉应力的作用下，这部分氢
下，材料内部形成微小裂纹，并使材料脆化，引起延 在螺栓的应力集中部位（螺栓六角头与螺杆交接处）
迟断裂现象。氢原子易于在零件外形急剧变化的应 聚集成氢分子并沿晶界扩散，弱化了晶界，继而形成
力集中区域聚集，且材料的强度越高，其氢脆敏感性 沿晶开裂，在螺栓内部产生微小裂纹。同时，内部的
越大。氢脆分为不可逆性和可逆性两种情况，不可 氢原子会继续在微小裂纹处聚集，当应力在材料晶
逆性是指氢已使材料产生裂纹，造成了永久性损伤； 界位置积累到一定程度，超过晶界强度时，裂纹开始
可逆性是指材料及时除氢后可以正常使用。 继续扩展，最终在长时间的工作应力作用下，螺栓发
该螺栓中氢的来源可分为以下两类：第一类是原 生掉头断裂。
材料中含有过量的氢；第二类是螺栓在制造和使用过 3.2 改进建议
程中，氢由外部环境侵入材料内部。该螺栓所用的原 （1）尽量缩短零件与氢介质之间的接触时间，
材料是钢锭经过多次拉拔后的棒料，并且螺栓在制作 严格控制制造工艺中酸洗溶液的浓度、时间和温度。
过程中经过调质处理；另外从断口上看，所有具有氢 同时，调整磷化工艺后的除氢时间和温度。
脆特征的半圆形区域均分布在螺栓的浅表面，因此可 （2）高强度钢的氢脆敏感性较低强度钢的氢脆
以排除原材料中含有过量氢的可能性，由于该螺栓经 敏感性高，因此在保证使用和设计要求的情况下，
过调质处理，所以应考虑氢是在调质后的某一个环节 适当降低螺栓强度，以减小高强度螺栓对氢脆的敏
进入到零件的浅表层。经调查证实，飞轮螺栓除在制 感性。
造过程中经过酸洗外，其他制造和使用环节没有和氢 （3）氢极易在应力集中处聚集，可根据使用情况
接触的机会。高强度螺栓随着强度的增大，其氢脆敏 和螺栓结构，适当加大六角头与螺杆的过渡圆角，尽
感性也会增大，文中断裂的螺栓设计要求性能等级是 量减轻该处的应力集中。
12.9级，其硬度接近标准要求的上限，从理论角度分
析，材料本身达到该等级螺栓较高的氢脆敏感性。酸 参考文献：
洗过程中，材料会释放出氢原子，若溶液酸性控制不 [1] 焦丽，赵拥军，张上雄，等．柴油发动机飞轮螺栓断裂
好，氢脆的风险就会增大。 原因分析[J]．热处理，2019，34(1)：52-56．
3 结语及改进建议 [2] 胡春燕，刘新灵，陈星．高强度钢螺栓断裂失效分析[J]．
金属热处理，2012，37(9)：125-127．
3.1 结语
[3] 刘昌奎，臧金鑫，张兵．30CrMnSiA螺栓断裂原因分
飞轮螺栓在制造过程中接触到氢，氢原子渗入 析[J]．失效分析与预防，2008，3(2)：42-47．
到螺栓的浅表面，后期由于除氢工艺不到位，因此未 [4] 张挺，赵峥，倪莉，等．高强度螺栓氢脆问题研究[J]．
能将渗入基体的氢驱离干净，而螺栓在把紧及使用 全面腐蚀控制，2016，30(7)：29-30．

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