Steel fasteners failure by hydrogen embrittlement

 

M. Teresa Ferraz, Manuela Oliveira^*

 

^*INETI-DMTP, LCM – Laboratório de Caracterização de Materiais, Estrada do Paço do Lumiar, 1649-038 Lisboa teresa.ferraz@ineti.pt

 

Abstract. This paper details the analysis carried out on two failed bolts to find out the reason for failure, using macrofractography, optical metallography and scanning electron microscope (SEM) techniques. Usual measures to prevent such failures are also referred. Similar fractures occurred at the head to shank transition of the bolts during fastening, or afterwards, while waiting for delivery. Since failure occurred in a region where foreseen stresses were quite below yield strength and there was no evidence of mechanical deformation, embrittlement was suspected. SEM observation of the fracture surface crack initiation region showed areas of intergranular crack propagation indicating brittleness, and higher magnification observation showed hydrogen embrittlement features. The bolts, which microstructure was typically that of hardened and tempered steel, had been zinc electroplated and it is well known that hydrogen release concurs with zinc deposition. Moreover, the diffusion and accumulation of the hydrogen in metals is favoured by cold working, as is the case of the head to shank transition region.

Keywords: Hydrogen embrittlement, failure, steel, fractography, scanning electron microscopy

 

RESUMO: Este artigo apresenta a análise efectuada em dois parafusos fracturados, com o objectivo de determinar as causas da fractura, usando técnicas de macrofractografia, metalografia óptica e microscopia electrónica de varrimento. Também são referidas as precauções habituais para evitar este tipo de falha. As fracturas, semelhantes entre si, ocorreram na transição entre a cabeça e o corpo do parafuso, durante ou após a operação de aperto. Uma vez que as fracturas apareceram numa região em que as tensões previstas estariam bastante abaixo da tensão de cedência e não se observava deformação mecânica, a fragilização foi desde logo uma possível suspeita. A observação da superfície na zona de iniciação da fractura, por microscopia electrónica de varrimento, revelou zonas de propagação intergranular de fissuras, apontando para uma fragilização, sendo possível observar aspectos típicos de fragilização por hidrogénio a ampliações mais elevadas. Os parafusos, cuja microestrutura correspondia à de um aço temperado e revenido, tinham sofrido um tratamento superficial de zincagem. Sabe-se que, durante estes tratamentos, a libertação de hidrogénio compete com a deposição do zinco e, além disso, a difusão e acumulação do hidrogénio nos metais é favorecida pela deformação a frio, o que é precisamente o caso da zona de transição cabeça/corpo de um parafuso.

Palavras chave: Fragilização por hidrogénio, falha, aço, fractografia, microscopia electrónica de varrimento

 

Texto completo disponível apenas em PDF.

Full text only available in PDF format.

 

REFERENCES

[1] Geduld, H.H., “Zinc Plating”, in “Metals Handbook”, Ninth Edition, Vol. 5, 244-255, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, U.S.A. (1982).        [ Links ]

[2] ISO 898-1:1999, “Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel – Part 1: Bolts, screws and studs.

[3] Kim, C.D., “Hydrogen-Damage Failures”, in “Metals Handbook”, Ninth Edition, Vol 11, 245-251, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, U.S.A. (1986).

[4] T.J. Carter, L.A. Cornish, “Hydrogen in metals”, Engineering Failure Analysis, 8 (2001) 113-121.

[5] Trowsdale, A.J. and Pritchard, S. B., “Dual phase steel – High strength fasteners without heat treatment”, Corus Construction& Industrial, UK, Internal Communication.

[6] Engel, L. and Klingele H., “Damage mechanisms and their appearance – Fracture caused by combinations of mechanical loading and chemical attack” chapter 3, pp. 105-132 in “An atlas of metal damage- surface examination by scanning electron microscope” translated by Stuart Murray ed. Wolfe Science Books in association with Carl Hanser Verlag, Munich, Vienna, 1984.

[7] ASTM F 1940-07a “Standard Test Method for Process Control Verification to Prevent Hydrogen Embrittlement in Plated or Coated Fasteners”

[8] ISO 15330:1999 “Fasteners – Preloading test for the detection of hydrogen embrittlement – Parallel bearing surface method”