Page 97 - 理化检验-物理分册2025年第四期

赵学谦，等：扳头断裂原因

试样的硬度测试结果为54，54，54.5 HRC，硬度偏高， 强度级别的钢在氢含量较低和应力较小的条件下，
不满足技术要求（45~50 HRC）。 就可以发生氢脆开裂。
另一方面，氢脆敏感性与材料的显微组织密切
2 综合分析
相关，根据组织中固溶饱和度和晶体结构的不同，组
由上述理化检验结果可知：扳头断口附近无宏
织对氢脆敏感性从大到小的排序依次为：马氏体、贝
观塑性变形，整个断口平齐，表面粗糙，断裂区呈结 氏体、珠光体和奥氏体。扳头材料的组织为马氏体，
晶状，断面干净、无腐蚀产物，断裂边缘位置伴有剪 属于氢脆敏感性最大的组织。
切唇，扳头断裂性质为脆性断裂；断口呈沿晶+韧 扳头的材料为42CrMo钢， 该类钢属于中碳低合
窝断裂特征，在沿晶断裂区域，晶粒轮廓清晰，部分 金钢。一般采用调质热处理工艺可以使材料具备良
晶面上存在塑性撕裂棱，具有氢脆断裂微观特征；人 好的综合性能。但该扳头的热处理工艺为淬火+低
工断口呈解理断裂特征，未发现沿晶断裂特征形貌， 温回火处理，导致扳头的组织为马氏体，马氏体属于
可以排除材料本身晶界弱化的可能；断裂起源于扳 未回火或回火不充分组织。材料在该状态下性能表
头方孔的拐角位置，在结构上存在应力集中。综合 现为强度和硬度较高，塑性和韧性较差。在使用时，
上述断裂特征，结合扳头在使用时承受静态工作应 材料会出现残余应力大、应力明显集中、组织脆性
力的情况，判断扳头断裂性质为氢致脆性断裂。 大、氢脆敏感性高等问题。
根据氢致脆性理论可知，金属是钢中原子之间键 综合上述分析，虽然扳头材料中氢含量较低，但
合力相互作用的连续体，当钢中部分位置承受的应力 其强度较高，组织的氢脆敏感性较大，导致扳头发生
大于材料自身的原子键合力时，原子键会断裂，导致 断裂。
原子之间失去相互吸引力，即裂纹开始萌生。研究表
明，氢的存在会导致钢内原子键合力减小，当钢中出 3 结论及建议
现氢时，钢内裂纹萌生强度因子会减小 。 扳头的热处理工艺不当导致材料强度偏高，组
[3]
断裂扳头的氢元素质量分数为 0.000 6%。根 织出现马氏体，最终导致材料发生氢致脆性断裂。
据实际生产经验，若高强钢中氢元素质量分数小于 建议在后续生产中，提高回火温度，将材料硬度
0.000 2%，则不会发生氢脆现象。但氢脆的产生还 控制为（45±3） HRC，可以降低材料的氢脆敏感性，
与材料强度、化学成分和显微组织等因素有关。在 避免材料发生断裂。
高强钢材料中，氢脆敏感性与材料强度呈正相关，材
参考文献：
料的硬度和强度越高，对氢脆的敏感性越大，发生氢
脆断裂的临界氢质量分数随着材料强度的升高而急 [1] 李学军，孙广．核级泵用马氏体不锈钢螺柱断裂原
剧减小 。 因[J]．理化检验（物理分册），2023，59（12）：51-54.
[4]
[2] 杨晓，陈政龙，潘恒沛，等．40Cr钢紧固螺栓断裂原因
扳头的硬度为 54 HRC，换算成强度则大于
分析[J]．理化检验（物理分册），2016，52（12）：903-905.
2 000 MPa，碳元素质量分数为0.41%。根据临界氢
[3] 王荣．失效机理分析与对策[M]．北京：机械工业出版
质量分数与临界氢应力的回归计算公式，当钢中氢
社，2020.
元素质量分数为0.000 6%时，发生氢脆的临界应力 [4] 刘德林，袁洪，陶春虎．30CrMnSiNi2A钢螺钉断裂分
为530 MPa，临界应力只有其强度的25%。说明该 析[J]．失效分析与预防，2009，4（3）：174-177.

81