杨永生
（1.中国一拖集团有限公司工艺材料研究所，河南 洛阳 471004；2.一拖（洛阳）柴油机有限公司，河南 洛阳 471004）
摘要：通过化学成分、金相检验和扫描电子显微镜等方法对齿圈螺栓进行分析，结果表明：齿圈螺栓断裂是由于氢脆延迟断裂而造成的。针对断裂原因分析了氢脆产生的原因和采取预防措施。
关键词：齿圈螺栓;氢脆;延迟;预防措施
中图分类号：TB31 文献标识码：B
Fracture Analysis of Gear Ring Bolt
YANG Yong-sheng1 ，TONG Jian-ping2，Liu Yan1，Du Gang-feng1
（1.Technology & Material Research Institute China Yitou Group Co.ltd , Luoyang 471004,China
2. The Diesel Yitou(LuoYang) Co.ltd ,Luoyang 471004,China）
Abstract: The cracking gear ring bolt was analyzed by chemical analysis，metallography examination and scanning electron microscope. The rezsults showed that the cracking reason of was hydrogen embrittlement fracture. The reason of hydrogen embrittlement was analyzed and the preventive measures were taken.
Key words: Gear ring bolt; Hydrogen embrittlement;Delay; Preventive measures
1.情况说明：
据某柴油机公司相关人员介绍：齿圈螺栓先用风动扳手进行装配，然后使用清洗剂进行清洗。在装车前的放置过程中发现有多个螺栓突然发生断裂，断裂部位有一定的规律性。为了找出螺栓断裂的原因，避免下次同类情况的发生，挑选出有代表性的断裂螺栓进行宏观、微观分析。齿圈螺栓技术要求：材料为40Cr，强度等级为12.9级。表面镀锌。
2.检验结果：
2.1宏观观察
齿圈、飞轮和过渡圈三个零件通过齿圈螺栓联接起来，其装配宏观形貌如图1。螺栓在两个部位发生断裂。其只能够一个部位是断在头杆交接处，另一个部位是断在螺栓螺纹根部，这两个部位均有机加工尖角，如图2。两个不同部位的断口均为一次性脆性断口，断口颜色为银白色，开裂源处未发现有明显的宏观缺陷存在，如图3、4。
图 1 齿圈螺栓装配的宏观形貌
Fig 1 Macrograph of assemblage gear ring bolt
图 2 断裂螺栓和未使用螺栓的宏观形貌
Fig 2 Macrograph of the fracture gear ring bolt and the new bolt
图 3 1#螺栓断口的宏观形貌
Fig 3 Macrograph of 1# fracture bolt
图 4 3#螺栓断口的宏观形貌
Fig 4 Macrograph of 3# fracture bolt
2.2微观观察
用扫描电子显微镜对1、3#螺栓（断在不同部位）断口进行微观形貌观察，发1、3#螺栓断口开裂源处，且断口的微观形貌均为沿晶断口。如图5、6。
图 5 1#螺栓断口开裂源的 SEM形貌——沿晶断口
Fig 5 SEM Morphology of 1# bolt crack source —— Intergranular fracture
图 6 3#螺栓断口开裂源的 SEM形貌——沿晶断口
Fig 6 SEM Morphology of 3# bolt crack source —— Intergranular fracture
2.3金相
在断口附近、螺栓头取样，进行显微观察，其结果见表1。
表 1 断裂螺栓的组织
Tab. 1 Microstructure of the fracture bolt
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编号
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断口处
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螺栓头
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1#
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回火索氏体
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回火索氏体
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3#
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回火索氏体
|
回火索氏体
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2.4硬度
在断口附近和螺栓头取样，进行硬度检测，其结果见表2。
表 2 断裂螺栓的硬度（HRC）
Tab. 2 Hardness of the fracture bolt（HRC）
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编号
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断口处
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螺栓头
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1#
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41.0、41.0、41.0
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41.0、41.0、41.
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3#
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40.5、41.0、40.0
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41.0、41.0、41.0
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GB/T3098.1-2000标准要求
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39—44HRC
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2.5化学成分
在断裂的螺栓里任取一个，进行化学成分分析，其检测结果见表3。
表 3 螺栓的化学成分（质量分数，%）
Tab. 3 Chemical composition of bolt（wt%）
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元素
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C
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S
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P
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Si
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Mn
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Cr
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实 测
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0.41
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0.014
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0.010
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0.25
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0.67
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0.95
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40Cr标准
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0.37/0.44
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≤0.035
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≤0.035
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0.17/0.37
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0.5/0.8
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0.8/1.1
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3.分析讨论:
3.1齿圈螺栓硬度和组织符合技术要求。
3.2齿圈螺栓的化学成分符合技术要求。
3.3由于齿圈螺栓的断裂过程（装配预紧应力作用下延迟断裂）、生产过程（经过镀锌处理）、断裂部位（头杆交接处和螺纹根部均存在尖角应力集中）、断口特征（脆性断口特征）等因素符合氢脆断裂特征，因此确定螺钉断裂为氢脆所致。
4.结论：
齿圈螺栓在装配后放置过程中发生断裂是由于氢脆造成的。
5.采取的措施：
氢脆属于缓慢应力作用下的延迟破断。由于这种破断失效常常是在零件通过正常检验合格后突然发生的（到目前为止尚没有有效手段，能对未使用的零件准确判断是否会发生氢脆），只能通过零件生产过程中的工艺控制来避免零件氢脆的发生。
5.1零件在镀锌过程中，由于酸洗和镀锌时都会使得零件吸氢，因此零件在完成镀锌过程后，应及时进行去氢处理（将零件加热到100~300℃，保温1~5h,可以去氢[1]）。
5.2采用新的表面处理技术——达克罗技术[2]，使得材料处理过程杜绝吸氢现象发生。达克罗技术是当今国际金属表面处理的高新技术，其涂层具有极好的抗腐蚀性，无氢脆，耐高热， 整套工艺采用全过程闭路循环涂覆方式，具有全过程无污染排放特性，可代替电镀锌、电镀镉、热浸镀锌等传统工艺，是一种“绿色电镀”。其优势具有以下几点： 1.超强的耐蚀性能。 2.无氢脆性：工件的前处理在密封的抛丸机内进行，不进行酸洗，这就排除了氢离子侵蚀钢铁基体的可能性。因此，达克罗涂层特别适用于δ ＞ 1000N/mm2高强度螺栓和弹簧种类的工件。 3.高耐热性：达克罗可以耐高温腐蚀，耐热温度可达300℃以上。而传统的镀锌工艺，温度达到100℃ 时就已经起皮报废了。 4.结合力及再涂性能好：达克罗涂层与金属基体有良好的结合力，而且与其它附加涂层有强烈的粘着性，处理后的零件易于喷涂着色，与有机涂层的结合力甚至超过了磷化膜。 5.良好的渗透性：由于静电屏蔽效应，工件的深孔、狭缝，管件的内壁等部位难以电镀上锌，因此工件的上述部位无法采用电镀的方法进行保护。达克罗则可以进入工件的这些部位形成达克罗涂层。 6.无污染和公害：达克罗在生产加工及工件涂覆的整个过程中，不会产生对环境有污染的废水废气， 不用三废治理，降低了处理成本。
参考文献：
[1] 沈宁一. 表面处理工艺手册[M]. 上海：上海科学技术出版社 1991.01
[2] 李光耀、李慎国. 浅谈达克罗技术在载重汽车工业中的应用[J]. 重型汽车，2007（2）：32~34
作者简介：杨永生（1978—），男，河南洛阳人，中国一拖集团有限公司工艺材料研究所金属材料研究室主任，高级工程师，学士学位，主要从事金属材料金相、性能、失效分析等工作。