1.概述
现有断裂飞轮螺栓两枚，同批次已使用完好螺栓四枚，不同状态的未使用完好螺栓若干。该批螺栓规格为M10×1.5×20，材质为SCM435，性能等级为12.9级。据反映，螺栓为发动机飞轮曲轴连接螺栓，安装扭矩为74N·m。螺栓制造工艺为：冷镦→去磷→热处理→搓丝→酸洗（20%盐酸）磷化→驱氢→涂胶。失效螺栓为车辆行驶短里程即发生断裂。图1所示为断裂螺栓残件宏观形貌，可见断裂位置为螺纹收尾处,断口附近未发现明显的塑性变形，将失效螺栓标记为1#、2#，其中2#螺栓表面存在明显的磕碰损伤痕迹。
图1 失效螺栓宏观形貌
2.断口分析
选取1#、2#螺栓断口进行观察分析。图2所示为1#螺栓断口宏观形貌，断面粗糙，无明显塑性变形，断口未发现明显的腐蚀现象。将断口分为A1、B1、C1三个区域进一步描述。
图2 1#螺栓断口宏观形貌
图3、图4所示为A1区微观形貌，可见明显的“冰糖状”沿晶形貌，晶面可见“鸡爪纹”，并伴随晶间二次裂纹。
图3 A1区微观形貌 图4 A1区微观形貌
图5、图6所示为B1区微观形貌，可见明显的“冰糖状”沿晶形貌，晶面可见“鸡爪纹”，并伴随晶间二次裂纹。
图5 B1区微观形貌
图6 B1区微观形貌
图7、图8所示为C1区微观形貌，可见明显的“冰糖状”沿晶形貌，晶面可见“鸡爪纹”，并伴随晶间二次裂纹。
图7 C1区微观形貌
图8 C1区微观形貌
图9所示为2#螺栓断口宏观形貌，断面粗糙，无明显塑性变形，断口存在明显的磕碰损伤痕迹，未发现明显的腐蚀现象。将断口分为A2、B2、C2三个区域进一步描述。
图9 2#螺栓断口宏观形貌
图10、图11所示为A2区微观形貌，可见明显的“冰糖状”沿晶形貌，晶面可见“鸡爪纹”，并伴随晶间二次裂纹。
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图10 A2区微观形貌
图11 A2区微观形貌
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图12、图13所示为B2区微观形貌，可见明显的“冰糖状”沿晶形貌，晶面可见“鸡爪纹”，并伴随晶间二次裂纹。
图12 B2区微观形貌
图13 B2区微观形貌
图14、图15所示为C2区微观形貌，可见明显的“冰糖状”沿晶形貌，晶面可见“鸡爪纹”，并伴随晶间二次裂纹。
图14 C2区微观形貌
图15 C2区微观形貌
3.金相检测
垂直1#螺栓断面截取纵向试样进行金相观察。图16所示为断面附近金相组织，可见断面附近存在明显的沿晶分支裂纹，断面及分支裂纹两侧均未发现明显的脱碳或増碳现象。
图16 1#螺栓断面附近金相组织
图17所示为1#螺栓断口附近螺栓表面金相组织，无明显的折叠、裂纹等不连续性缺陷，且未发现明显的脱碳、増碳现象。
图17 1#螺栓断口附近螺栓表面金相组织
图18所示为1#螺栓断口附近显微组织，为均匀的回火索氏体，无异常。
图18 1#螺栓断口附近显微组织
图19所示为1#螺栓非金属夹杂物形态，根据“GB/T 10561-2005”标准规定，评定为D类球状氧化物（细系）1级。
图19 1#螺栓非金属夹杂物形态
采用饱和苦味酸溶液对1#螺栓试样进行浸蚀，断面附近金相组织如图20所示，仅存在轻微的带状偏析。
图20 1#螺栓断面附近金相组织
垂直2#螺栓断面截取纵向试样进行金相观察。图21所示为断面附近金相组织，可见断面附近存在明显的沿晶分支裂纹，断面及分支裂纹两侧均未发现明显的脱碳或増碳现象。
图21 2#螺栓断面附近金相组织
图22所示为2#螺栓断口附近螺栓表面金相组织，无明显的折叠、裂纹等不连续性缺陷，且未发现明显的脱碳、増碳现象。
图22 2#螺栓断口附近螺栓表面金相组织
图23所示为2#螺栓断口附近显微组织，为均匀的回火索氏体，无异常。
图23 2#螺栓断口附近显微组织
图24所示为2#螺栓非金属夹杂物形态，根据“GB/T 10561-2005”标准规定，评定为D类球状氧化物（细系）1级。
图24 2#螺栓非金属夹杂物形态
采用饱和苦味酸溶液对2#螺栓试样进行浸蚀，断面附近金相组织如图25所示，仅存在轻微的带状偏析。
图25 2#螺栓断面附近金相组织
将经过4%硝酸酒精腐蚀后的试样放入扫描电镜，对显微组织进行观察。图26、图27所示为1#螺栓显微组织电镜形貌，可见明显的颗粒状化合物（箭头所示）及弥散分布的点状碳化物，经能谱分析（见图28），颗粒状化合物主要为碳化物（Pt元素为喷金过程带入，可忽略）。
图26 1#螺栓显微组织电镜形貌
图27 1#螺栓显微组织电镜形貌
图28 颗粒状化合物能谱分析结果
图29、图30所示为2#螺栓显微组织电镜形貌，可见明显的颗粒状碳化物（箭头所示）及弥散分布的点状碳化物。
图29 2#螺栓显微组织电镜形貌
图30 2#螺栓显微组织电镜形貌
截取未断裂完好螺栓纵截面进行金相观察，图31所示为螺纹收尾处金相组织，可见螺纹收尾处圆弧过渡，牙底未发现明显折叠、裂纹等不连续性缺陷（见图32）。
图31 完好螺栓螺纹收尾处金相组织
图32 完好螺栓螺纹收尾处牙底金相组织
4.性能检测
选取两枚已安装未断裂螺栓进行拉伸试验，两枚螺栓破断拉力值分别为78.7kN和77.0kN，均符合“GB/T 3098.1-2010”标准中关于规格为M10×1.25，等级为12.9级螺栓的规定（≥74.7kN）。
对两枚失效螺栓分别进行表芯硬度检测，结果如表1所示，均符合“GB/T 3098.1-2010”标准中关于12.9级螺栓的规定。
表1 失效螺栓表芯硬度测试
5.化学成分分析
采用碳硫分析仪及ICP对两枚失效螺栓进行化学成分分析，结果如表2所示，均符合“JIS G4053-2008”标准中关于SCM435钢的规定。
表2 化学成分检测结果（%）
选取不同状态的螺栓进行氢含量检测，结果如表3所示，可见同批次的断裂件与已使用未断裂件的螺栓基体残留氢含量较稳定，均超过2ppm，新制不同批次的酸洗驱氢试样基体残留氢含量不均匀，抛丸+驱氢状态的试样残留氢含量较低。
表3 基体残留氢含量检测结果
6.综合分析
螺栓抗拉强度、表芯硬度、显微组织、表面増碳、偏析、化学成分等均未发现异常。断口形貌显示，断面可见大面积明显的冰糖状沿晶断裂形貌，晶面存在“鸡爪纹”特征，并伴有晶间二次裂纹，符合氢脆断裂形貌特征。据委托方反映，失效螺栓为车辆行驶短里程即发生断裂，具有延迟断裂特点，因此判断螺栓失效模式为氢致延迟断裂，即氢脆。
氢脆断裂是紧固件产品较为常见的失效形式。它是由于氢渗入金属内部导致的损伤，无征兆，具有突发性。影响氢脆的因素主要有：钢的含碳量、显微组织、钢的强度、硬度及所受应力等。一般情况下，钢的含碳量越高，强度、硬度越大，所受应力越大，则氢脆敏感性就越高。针对本案例而言，螺栓制造工序中采用酸洗处理，易导致氢渗入试样内部。氢含量检测显示，失效螺栓芯部残留氢含量均超过2ppm，同时螺栓强度、硬度较高，本身具有氢脆敏感性，易在螺纹收尾处等应力集中部位首先产生氢致微裂纹，微裂纹不断扩展，最终导致螺栓断裂。
7.结论
(1) 螺栓的失效模式为氢致延迟断裂（氢脆）；
(2) 螺栓所检项目均符合标准要求；
(3) 12.9级螺栓不建议选择酸洗处理。
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