摘要： 一批CRMO合金鋼KV氣體絕緣金屬封閉開關裝置（GIS）機構在合閘試驗調整中發生電鍍鋅止動螺栓斷裂失效，採用化學成分分析、斷裂分析、硬度試驗、氫脆評價試驗、金相檢驗等方法分析螺栓斷裂原因。 結果表明：止動螺栓斷裂是由氫脆引起的，止動螺栓的氫脆斷裂是由於螺栓電鍍鋅後脫氫工藝不當造成的; 最後提出了防止螺栓氫脆斷裂的改進措施。關鍵詞：止動螺栓;骨折;氫脆;中圖分類號： TG TH 文獻符號程式碼： B 商品編號： A KV氣體絕緣開關櫃（GIS）智慧型變壓器經出廠機械特性測試，執行後發現GIS斷路器三相合閘時間不在管理值範圍（ms）內。 用nm扭力扳手擰緊調節機構的合閘時間螺栓，第一次調整達不到管理值要求，再次調整時發現C相合合調節螺栓鬆動，擰出時發現螺栓斷裂斷裂螺栓的形貌如圖所示。斷裂區孔的止動螺栓為東芝進口螺栓，規格為m，強度等級為H，材質為CRMO鋼，表面處理工藝為電鍍鋅（F e B）和脫氫（P F）。為了找出螺栓斷裂失效的原因，筆者通過一系列理化試驗方法，對斷裂螺栓和同規格螺栓進行了檢查分析，並提出了相應的預防措施。 
理化檢測 化學成分分析 對斷裂螺栓基體進行取樣，採用島津PDA直讀光譜儀進行化學成分分析結果如表所示可以看出，斷裂螺栓的元素含量滿足GB T合金結構鋼對CRMO鋼成分的技術要求。 
GIS機構拆卸下穿孔止動螺栓的巨集觀分析尚未完全破碎分離，如圖a所示）。用手撕掉最後的連線部位，上下裂縫在視覺上沒有太大的區別，裂縫比較平整。 使用基恩士VHX數碼顯微鏡觀察斷裂，如圖B所示），斷裂從螺桿底部開始，螺栓在斷裂前受到拉應力，斷裂從螺桿底部逐漸擴大到整個截面，直到最終斷裂斷口處無明顯塑性變形，斷面垂直於軸線，表現出脆性斷裂的特徵。對丙酮反覆清洗後的止動螺栓斷裂進行顯微分析，用日本電子的JSM A型掃瞄電子顯微鏡（SEM）觀察了圖B）中螺栓斷裂的斷裂源、膨脹區和末端斷裂區的微觀形貌，結果如圖1所示。圖a）為沿斷層源的籽粒形貌，斷層以沿籽粒的典型巖糖形貌為主圖b）顯示了斷層源處沿晶體斷層的晶面形貌特徵並且可以看出，在水晶平面上分布著雞爪紋理圖c）顯示了裂隙核心處擴充套件區的微觀形貌，可以看出存在伴有微孔的晶間次生裂紋圖d）顯示了末段斷裂帶的混合斷層地形，裂縫上有凹坑和沿粒斷層。微觀斷裂分析結果表明，止動螺栓斷裂表現出典型的氫脆斷裂特徵。 
維氏硬度試驗採用HV型顯微硬度計，試驗載荷為n（gf），載入時間為s，對斷裂止動螺栓的表面和芯部硬度進行試驗結果如表所示。可見螺栓的表面和芯部硬度符合碳鋼和合金鋼製成的緊韌體的力學特性 第二部分：不低於抗拉強度的緊固螺釘和類似緊固螺釘 H強度等級螺栓的技術要求。 
氫脆評價試驗扭轉強度試驗根據JISB力學效能中的強度試驗方法，從同一批螺栓中隨機抽取零件，從正常執行裝置中取出其他批次的螺栓進行扭轉試驗。 試驗如JISB圖所示進行。 試驗結果表明，同一批次的同批螺栓在承受nm扭矩時斷裂而裝置上通常使用的螺栓能承受Nm扭矩而不斷裂，說明該批螺栓的強度不能滿足規範M和強度等級H的扭轉試驗要求。 當螺栓中的氫含量達到一定水平時，螺栓的極限載荷會降低[ ] 觀察螺栓斷裂齊平，屬於脆性斷裂，因此判斷該批螺栓存在氫脆的危險。 對同一批次的M螺栓和其他批次通常使用的其他批次的M螺栓進行慢應變拉伸試驗，並進行慢應變拉伸試驗，快速評價其抗氫脆效能慢應變拉伸試驗的結果如表所示測試曲線如a所示。從圖a）可以看出，螺栓編號和同一批次的屈服前斷裂，呈現脆性斷裂，無明顯屈服;螺栓為延性斷裂，屈服明顯。 螺栓的抗拉強度大於螺栓和螺栓的抗拉強度，因為隨著螺栓中氫含量的增加，其抗拉強度降低，發生脆性斷裂與斷裂螺栓的斷裂形貌相似，數和螺栓沿晶粒斷裂面也具有雞爪紋，沿晶粒存在區域性次生裂紋並伴有微孔，如圖d）和圖e所示。螺栓的斷裂形狀如圖f所示，斷口處有大量的凹坑這是一種韌性斷裂。慢應變拉伸試驗結果表明，該批螺栓存在嚴重的氫脆風險。 
金相檢驗 非金屬夾雜物檢驗 對斷裂的螺栓進行縱向取樣，經過研磨和拋光後，使用奧林巴斯GX金相顯微鏡觀察螺栓拋光狀態下的非金屬夾雜物和缺陷。 結果表明，拋錨照片放大中心未出現明顯的非金屬夾雜物和帶狀偏析。 脫碳層試驗是沿軸向切割斷裂螺栓，製備金相試樣，進行螺旋脫碳層檢驗。 研磨拋光後，用硝酸醇溶液（體積分數）侵蝕並用奧林巴斯GX金相顯微鏡觀察，螺紋的微觀形貌如圖所示。根據JISB中螺栓脫碳層金相測定的規定，測量未脫碳螺紋高度E mm（技術要求E mm），螺紋全脫碳層深度G m（技術要求G m），螺紋脫碳層的檢驗結果符合JISB技術要求。 
在顯微組織試驗中，選取斷裂螺栓和慢應變拉伸試驗中的斷裂螺栓進行顯微組織比較。 對兩個螺栓進行橫向取樣，用（體積分數）硝酸醇溶液研磨和拋光，並用奧林巴斯GX金相顯微鏡觀察。 如圖所示兩者的顯微組織基本相同，均為回火索氏體，斷裂螺栓內有少量塊狀鐵素體，為正常調質熱處理的顯微組織[ 對上述理化試驗結果的綜合分析表明，斷裂止動螺栓的化學成分、硬度和顯微組織均符合相關標準技術要求。 斷裂分析結果表明：斷裂螺栓斷口巨集觀表面無明顯塑性變形，斷面平坦，斷口微觀形貌以沿晶體的巖糖狀斷口為主，沿斷裂面存在大量雞爪織構，晶面存在微孔並伴有晶間次生裂紋表現出典型的氫脆斷裂特徵。螺栓氫脆評價試驗結果表明，斷裂批次螺栓存在嚴重的氫脆風險。 螺栓中的氫脆主要與鋼中氫含量高有關，但也與鋼中零件的碳含量、顯微組織、強度和應力有關。 研究發現，如果鋼的抗拉強度達到MPa或硬度達到HRC或以上，則氫脆敏感性將非常高，如果零件表面處理（電鍍、酸洗）後脫氫工藝不合適，引入的氫元素極易誘發氫脆開裂。 
斷裂止動螺栓的強度等級為H它是一種高強度螺栓，其硬度達到HRC以上，因此氫脆敏感性強。螺栓表面經過電鍍鋅處理，電鍍鋅工藝如下：脫脂、洗滌、酸洗、電解、除油、洗滌HCL（體積分數）活化、水洗、電鍍鋅、光洗、鈍化（CRO、Hso、HNO）洗、烘乾、時效，可見電鍍鋅工藝中有酸洗工序和鹽酸活化工序， 並且在進行這兩個過程時很容易引入氫氣。如果脫氫過程沒有正確完成或電鍍後遺漏了脫氫過程，氫氣將殘留在螺栓中導致螺栓使用過程中氫脆導致的延遲斷裂。通常，當鋼中的氫含量為質量分數時，會發生氫脆斷裂，而高強度鋼的臨界氫含量要低得多。 斷裂螺栓的硬度和氫脆評價試驗的結果間接驗證了螺栓中氫含量過量，螺栓存在氫脆的危險。 止動螺栓在工作時主要受靜應力和氫元素的影響，經過產品裝配和裝配的執行試驗，推測止動螺栓上出現了裂紋，最後在進行調整時由於扭轉力的作用而發生了最終斷裂。 因此氫氣和應力的共同作用是造成該批次止動螺栓發生氫脆斷裂的主要原因[ 結論及改進措施 （ ） 該批次KV GIS機構的止動螺栓斷裂屬於典型的沿晶體的氫脆斷裂。 （螺栓在電鍍鋅表面處理過程中引入氫元素，脫氫工藝不當造成氫元素殘留，導致螺栓在使用過程中氫氣和應力的共同作用下延遲開裂，其中過量的氫氣是該批止動螺栓氫脆斷裂的根本原因。 （建議抗拉強度大於MPa或硬度高於HRC的螺栓在電鍍鋅後應及時脫氫並應嚴格執行脫氫工藝規範，避免脫氫工藝不當造成氫脆斷裂;此外，還可以適當提高適當降低合金鋼含碳量、提高回火溫度等措施對於海運對氫脆敏感的零件，在運輸過程中應進行包裝和保護，避免零件長期暴露在海霧中造成區域性氫滲。 參考文獻：[ 崔哲敏 高強度緊韌體氫脆檢測與評價方法研究[D] 杭州： 浙江工業大學 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中華人民共和國標準化管理委員會 金屬和合金腐蝕應力腐蝕試驗第一部分：慢應力率試驗：GB T S] 北京： 中國標準出版社 [ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局， 中華人民共和國標準化管理委員會 緊韌體的機械效能 螺栓， 螺釘和螺柱： GB T 北京： 中國標準出版社 [ 李炯輝 金屬材料金相圖譜[M] 北京： 機械工業出版社， 韓克佳， 趙曉輝， 李巨集偉 CRMO鋼高強度螺栓斷裂失效分析[J] 理化試驗（物理分冊），日本熱處理技術協會，日本金屬熱處理工業協會新版 熱處理技術概論[M] 姚仲凱翻譯北京：機械工業出版社，劉德林，陶春虎，劉昌奎，等.鋼氫脆失效的新現象與新認識[J] 失效分析與預防， 王婷， 李振華 鍍鋅螺釘斷裂分析[J] 理化試驗（物理分冊），文章**—材料及試驗網。