高壓壓鑄機鎖模油缸采用緊固螺栓連接，由于緊固零部件的結構限制，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，液壓扳頭發(fā)生斷裂(見圖1)。據了解，在發(fā)生斷裂前，液壓扳頭已經完成了35根螺釘的緊固工作，在進行第36根螺釘加力時扳頭破裂，扳頭的孔徑為46 mm。根據安裝手冊，緊固螺栓的規(guī)格為M64-10.9級，其緊固扭力為14 400 N·m，實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方法對扳頭斷裂的原因進行分析，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

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；扳頭斷口呈結晶狀，斷面上有明顯放射狀條紋，并收斂于結構上存在應力集中的方孔拐角處，即為裂紋源，斷口呈一次性瞬時斷裂特征。 

圖  2  扳頭斷口的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在扳頭上鉆取碎屑，對碎屑進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂扳頭的化學成分滿足GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMo鋼的要求。 

1.3   金相檢驗

在扳頭裂紋源位置截取金相試樣，將試樣拋光后置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：試樣中未發(fā)現明顯非金屬夾雜物，根據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗方法》對非金屬夾雜物進行評級，結果為A0.5、B0.5、C0.5、D0.5級，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%（體積分數）硝酸乙醇溶液腐蝕，觀察其顯微組織形貌，結果如圖4所示。由圖4可知：扳頭材料的組織為馬氏體，根據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行評級，結果為6級，試樣中未發(fā)現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行分析，結果如圖5所示。由圖5可知：試樣整個斷裂面均呈沿晶+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

為驗證扳頭材料是否存在晶界弱化現象，在扳頭殘留試樣對試樣上制取試樣，利用萬能試驗機對試樣進行三點彎曲壓斷試驗，將斷口置于掃描電鏡下觀察，結果如圖6所示。由圖6可知：整個斷口呈解理斷裂特征，未發(fā)現沿晶斷裂特征形貌，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，對試樣進行洛氏硬度測試，扳頭試樣的硬度測試結果為54，54，54.5 HRC，硬度偏高，不滿足技術要求（45~50 HRC）。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：扳頭斷口附近無宏觀塑性變形，整個斷口平齊，表面粗糙，斷裂區(qū)呈結晶狀，斷面干凈、無腐蝕產物，斷裂邊緣位置伴有剪切唇，扳頭斷裂性質為脆性斷裂；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，在結構上存在應力集中。綜合上述斷裂特征，結合扳頭在使用時承受靜態(tài)工作應力的情況，判斷扳頭斷裂性質為氫致脆性斷裂。 

根據氫致脆性理論可知，金屬是鋼中原子之間鍵合力相互作用的連續(xù)體，當鋼中部分位置承受的應力大于材料自身的原子鍵合力時，原子鍵會斷裂，導致原子之間失去相互吸引力，即裂紋開始萌生。研究表明，氫的存在會導致鋼內原子鍵合力減小，當鋼中出現氫時，鋼內裂紋萌生強度因子會減小[3]。 

斷裂扳頭的氫元素質量分數為0.000 6%。根據實際生產經驗，若高強鋼中氫元素質量分數小于0.000 2%，則不會發(fā)生氫脆現象。但氫脆的產生還與材料強度、化學成分和顯微組織等因素有關。在高強鋼材料中，氫脆敏感性與材料強度呈正相關，材料的硬度和強度越高，對氫脆的敏感性越大，發(fā)生氫脆斷裂的臨界氫質量分數隨著材料強度的升高而急劇減小[4]。 

扳頭的硬度為54 HRC，換算成強度則大于2 000 MPa，碳元素質量分數為0.41%。根據臨界氫質量分數與臨界氫應力的回歸計算公式，當鋼中氫元素質量分數為0.000 6%時，發(fā)生氫脆的臨界應力為530 MPa，臨界應力只有其強度的25%。說明該強度級別的鋼在氫含量較低和應力較小的條件下，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，根據組織中固溶飽和度和晶體結構的不同，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。一般采用調質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)下性能表現為強度和硬度較高，塑性和韌性較差。在使用時，材料會出現殘余應力大、應力明顯集中、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，但其強度較高，組織的氫脆敏感性較大，導致扳頭發(fā)生斷裂。 

3.   結論及建議

扳頭的熱處理工藝不當導致材料強度偏高，組織出現馬氏體，最終導致材料發(fā)生氫致脆性斷裂。 

建議在后續(xù)生產中，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