螺栓斷裂分析報(bào)告

高強(qiáng)度螺栓斷裂分析曾振鵬(上海交通大學(xué)高溫材料及高溫測(cè)試教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海30)

摘要:采用斷口分析、金相檢查和硬度測(cè)定等措施，對(duì)高強(qiáng)度螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析。斷口分析成果表明，斷口平坦，呈放射狀把戲，微觀形態(tài)重要為準(zhǔn)解理把戲，表明螺栓的斷裂是脆性斷裂;同步發(fā)現(xiàn)，在斷口附近還存在橫向內(nèi)裂紋，內(nèi)裂紋的斷口形態(tài)與斷裂斷口同樣。金相分析表明，材料棒中存在嚴(yán)重的中心碳偏析，而中心碳偏析是引起斷裂的重要原因。關(guān)鍵詞:高強(qiáng)度螺栓;準(zhǔn)解理;橫向內(nèi)裂紋;中心碳偏析

某廠生產(chǎn)的一批規(guī)格為M30×160mm的高強(qiáng)度大六角頭螺栓，在進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂。螺栓材料為35CrMoA，采用常規(guī)工藝生產(chǎn)，硬度規(guī)定為35～39HRC。1檢查1.1材料的化學(xué)成分用VD25直讀光譜儀進(jìn)行了材料化學(xué)成分分析，分析成果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))列于表1。從表1可以看出，材料的化學(xué)成分符合原則規(guī)定。

1.2硬度測(cè)定硬度測(cè)定成果列于表2。由表可見，螺栓材料硬度雖符合技術(shù)規(guī)定，但已靠近上限。

1.3材料的顯微組織(1)在拋光態(tài)下，可見材料中具有較嚴(yán)重的夾雜物，其形態(tài)、分布見圖1。對(duì)照原則[2]，夾雜物級(jí)別為3～4級(jí)。

圖1夾雜物形態(tài)及分布狀況100×

圖2螺栓的顯微組織280×

4%硝酸酒精溶液侵蝕

(2)顯微組織見圖2。組織為回火馬氏體+粒狀貝氏體，并有少許鐵素體。從圖2可明顯看出，組織中存在嚴(yán)重偏析，出現(xiàn)回火馬氏體和粒狀貝氏體帶，致使顯微組織不均勻，并且在回火馬氏體帶中存在MnS夾雜。對(duì)樣品螺紋根部附近的組織進(jìn)行了觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。1.4斷口分析(1)圖3a為斷口的宏觀形貌，斷口較平坦，表面呈灰色，有明顯的扯破脊，呈放射狀把戲，放射線從中心向四面發(fā)射。表明裂紋先在中心形成，然后向外擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至整個(gè)橫截面時(shí)，螺栓斷裂。

圖3斷口的宏觀形貌

圖4斷口微觀形貌(2)斷口的微觀形態(tài)基本上以準(zhǔn)解理把戲?yàn)橹鳎杏心承┒瘟鸭y，如圖4所示。從斷口的宏觀和微觀分析可知，斷裂斷口為脆性斷口，裂紋來源于中心部位。裂紋產(chǎn)生后向四面擴(kuò)展，直至螺栓斷裂。1.5螺紋部位橫向內(nèi)裂紋(1)在制取金相試樣時(shí)，發(fā)現(xiàn)試樣螺紋部分至少尚有1～2個(gè)垂直軸線的橫向內(nèi)裂紋，其縱截面形態(tài)見圖5，似人的嘴形。打開內(nèi)裂紋，發(fā)現(xiàn)其面積已基本占據(jù)了整個(gè)橫截面，其形態(tài)與斷裂斷口十分相似。圖3b為它的宏觀形貌。從斷口的宏觀形態(tài)上可以看出，裂紋面較平坦，呈灰色，有明顯的呈放射把戲的扯破脊，放射線是從中心向四面放射的。比較圖3a和圖3b可以看出，它們的形貌是相似的。裂紋斷口的微觀形態(tài)也是以準(zhǔn)解理把戲?yàn)橹骷佣瘟鸭y。斷口的宏觀、微觀分析表明，該內(nèi)裂紋斷口與斷裂斷口本質(zhì)上是同樣的。(2)將剩余部分的螺栓沿中心縱向剖開，用10%硝酸溶液侵蝕，發(fā)現(xiàn)材料心部有嚴(yán)重的碳偏析，存在明顯的流線，見圖6。這與金相觀測(cè)成果是一致的。

對(duì)存在偏析的顯微組織進(jìn)行顯微硬度測(cè)定，發(fā)現(xiàn)偏析中的回火馬氏體區(qū)域的硬度為48.2HRC，大大高于粒狀貝氏體區(qū)域的硬度(35.5HRC)。

圖5螺紋部位的橫向內(nèi)裂紋縱截面形態(tài)

圖6螺栓材料內(nèi)部的碳偏析2分析與討論2.1螺栓的橫向內(nèi)裂紋化學(xué)成分分析表明，螺栓材料的化學(xué)成分符合35CrMoA鋼的原則成分，其硬度也在技術(shù)規(guī)定范圍內(nèi)(但已靠近上限)。不過從金相分析成果可以看出，材料的內(nèi)在質(zhì)量較差，心部存在碳偏析，不僅減少了材料的韌性和塑性，并且由于組織不均勻，引起心部硬度不均勻，最高硬度已達(dá)48HRC。同步，材料中存在嚴(yán)重的夾雜物，致使螺栓心部材料硬而脆，因此施加載荷后首先在心部產(chǎn)生裂紋，而后形成橫向內(nèi)裂紋。所謂鋼材的碳偏析是指鋼材內(nèi)各部位含碳量的不均勻性。碳偏析是樹枝狀偏析的成果，而樹枝狀偏析又是選擇結(jié)晶的成果。鋼在結(jié)晶時(shí)，先形成枝干，然后形成枝間，先結(jié)晶的枝干比較純，碳濃度較低，而遲結(jié)晶的枝間碳濃度較高，形成碳分布不均。若鋼材或鍛件樹枝晶發(fā)達(dá)，則鋼的塑性和韌性減少，這種狀況尤以中碳鉻鉬鋼最為普遍，在壓力加工時(shí)會(huì)形成流線，樹枝晶偏析嚴(yán)重時(shí)還可使鍛件破裂[3]。碳偏析是在冶金過程中由于種種原因?qū)е碌摹＞o固件原材料中的嚴(yán)重碳偏析會(huì)導(dǎo)致緊固件經(jīng)熱處理后各部位力學(xué)性能的明顯差異。文獻(xiàn)[4]報(bào)道，有一批某型汽車上的45鋼螺栓，在使用中持續(xù)發(fā)生斷裂事故，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂是由心部開始，整個(gè)斷口呈放射狀脆斷形貌，將這批螺栓所用鋼材沿其軋制方向剖開，發(fā)目前試樣中心存在著內(nèi)部裂紋，經(jīng)酸蝕后可看出嚴(yán)重的中心碳偏析。因此，可以認(rèn)為，本例螺栓受載荷后產(chǎn)生脆性斷裂和存在橫向內(nèi)裂紋是與螺栓材料內(nèi)存在中心碳偏析有關(guān)。2.2內(nèi)裂紋為何內(nèi)裂紋不象斷口裂紋那樣使螺栓斷裂呢?這是由于擰緊螺母后，在螺桿上產(chǎn)生的軸向拉力分布是不均勻的，軸向力在旋合各圈羅紋牙間的分布呈雙曲余弦函數(shù)關(guān)系，第一圈羅紋牙承受的軸向力最大，然后依次減小[5]。由于與橫向內(nèi)裂紋相對(duì)應(yīng)的螺紋處的軸向應(yīng)力小，因此螺栓沒有斷裂。2.3材質(zhì)雖然螺栓材料的化學(xué)成分符合35CrMoA鋼原則，但其夾雜物含量較高(3～4級(jí))，且存在中心碳偏析，因此認(rèn)為，該批螺栓的材質(zhì)是不合格的。3結(jié)論(1)螺栓的斷裂為脆性斷裂。(2)斷裂的原因是由于螺栓材質(zhì)不良———原材料棒中存在中心碳偏析以及嚴(yán)重的夾雜物。4提議(1)加強(qiáng)對(duì)原材料的質(zhì)量檢查。(2)為了提高螺栓材料的綜合力學(xué)性能，硬度控制在技術(shù)規(guī)定的中限附近。40Cr鋼螺栓斷裂分析劉澤坤(湖北江山機(jī)械廠，襄樊441003)

摘要：采用金相檢查、硬度測(cè)試及化學(xué)成分分析等措施對(duì)變速箱制動(dòng)鼓定位螺栓斷裂的原因進(jìn)行了分析。成果表明，由于零件在熱加工后未按規(guī)定進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致出現(xiàn)非正常組織，減少了零件的硬度和強(qiáng)韌性，加上零件肩胛根部沒有過渡圓弧易導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此在裝車使用后很快便發(fā)生了螺栓斷裂失效。關(guān)鍵詞：螺栓;斷裂；顯微組織；應(yīng)力集中；鐵素體

1狀況簡(jiǎn)介我廠生產(chǎn)的某型號(hào)的變速箱在裝車使用后很快，即發(fā)生了一批變速箱制動(dòng)鼓定位螺栓斷裂事故，斷裂部位均發(fā)生在截面急劇變化的肩胛處。由于該批螺栓系外購件，其熱處理工藝尚不十分清晰。按設(shè)計(jì)規(guī)定，該批螺栓為M14螺栓，其長(zhǎng)度為55mm，材料為40Cr，熱處理后調(diào)質(zhì)硬度為255～321HBS，表面經(jīng)軟氮化處理，規(guī)定氮化層深度為0.05～012mm，硬度為35～50HRC，相稱于329～509HV。2理化檢查2.1化學(xué)成分分析從螺栓上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，成果列于表1?？梢娐菟ǖ幕瘜W(xué)成分符合GB/T3077-1999的規(guī)定。2.2宏觀斷口分析斷裂發(fā)生在螺栓肩部與桿部連接處，見圖1。按設(shè)計(jì)規(guī)定，桿部與肩部連接端應(yīng)有滾花，長(zhǎng)約10mm，其連接處應(yīng)留R為0.5mm的過渡圓弧。從斷裂零件的肩部可見到明顯的因滾花留下的擠壓痕跡，闡明滾花時(shí)已滾到零件的肩胛部，在連接處沒有過渡圓弧。斷口表面較平整，無肉眼可見的宏觀塑性變形，斷裂零件表面亦未見明顯的機(jī)械損傷痕跡，屬一次性脆性斷裂。2.3硬度測(cè)試將斷裂螺栓兩端磨平后進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)得心部硬度為235～250HBS，硬度偏低。表面硬度為465～485HV，屬于正常的軟氮化硬度。

圖1螺栓斷裂部位示意圖(mm)2.4金相檢查從螺栓斷裂部位取樣進(jìn)行金相檢查，心部組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，并有少許呈針狀的鐵素體，由晶界向晶內(nèi)延伸，展現(xiàn)輕微的魏氏組織狀態(tài)，見圖2。

圖2斷裂螺栓心部組織照片400×

圖3正常調(diào)質(zhì)螺栓心部組織照片400×

4%硝酸酒精溶液侵蝕

4%硝酸酒精溶液侵蝕在R和滾花交界處沿縱向制樣觀測(cè)，基體材料中非金屬夾雜物含量較少，符合國(guó)標(biāo)規(guī)定，其近表面組織與心部組織基本相似，為珠光體+少許網(wǎng)狀鐵素體。從使用正常未曾斷裂的另一批螺栓上取樣進(jìn)行金相檢查，在光學(xué)顯微鏡下，螺栓的顯微組織為均勻回火索氏體，見圖3。3成果分析由于該批零件是制動(dòng)鼓定位螺栓，使用時(shí)承受較大的交變載荷，故規(guī)定零件應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和很好的沖擊韌性。根據(jù)成分分析可知，該零件所用材料的化學(xué)成分符合GB/T3077-1999中40Cr鋼的規(guī)定，可排除因材料錯(cuò)用而導(dǎo)致的斷裂。從金相組織上看，由于該批零件心部組織是珠光體及少許鐵素體，且鐵素體呈網(wǎng)狀分布，部分呈針狀分布，這種組織同一般40Cr鋼鑄造正火組織極為相似[1]。闡明該批零件并未按規(guī)定進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，也許只是頭部鐓成型后進(jìn)行正火處理。由于這種網(wǎng)狀鐵素體的存在，破壞了組織的持續(xù)性，導(dǎo)致基體強(qiáng)度明顯減少，塑、韌性下降。有資料表明[2]，鋼件中魏氏組織的存在，使材料的力學(xué)性能明顯下降，尤其是沖擊韌性下降諸多。這種組織的形成是由于零件在熱加工過程中的終鍛溫度過高而冷卻又過緩，導(dǎo)致了鐵素體沿晶界呈網(wǎng)狀析出。這種不良組織狀態(tài)是導(dǎo)致零件斷裂的主線原因。從零件斷裂的部位上看，斷裂發(fā)生在肩胛的根部，由于該處沒有過渡圓弧，輕易形成應(yīng)力集中，變速箱制動(dòng)時(shí)，必然會(huì)加大對(duì)螺栓施加各方向應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過其斷裂強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致在應(yīng)力集中的微弱處斷裂。4結(jié)論螺栓斷裂的主線原因是由于零件在熱加工后，未按熱處理工藝規(guī)定進(jìn)行處理，導(dǎo)致零件組織狀態(tài)不良，硬度偏低，強(qiáng)韌性較差。加之零件機(jī)加工時(shí)，肩胛根部沒有過渡圓弧，導(dǎo)致應(yīng)力集中，一但受力較大必將導(dǎo)致沿圓周倒角處斷裂。日本愛信用高強(qiáng)度螺栓材質(zhì)SCM440（主減齒圈連接螺栓）40Cr鋼的最大屈服強(qiáng)度：試樣毛坯尺寸（mm）：25熱處理：第一次淬火加熱溫度（℃）：850；冷卻劑：油第二次淬火加熱溫度（℃）：-回火加熱溫度（℃）：520；冷卻劑：水、油抗拉強(qiáng)度（σb/MPa）：≥980屈服點(diǎn)（σs/MPa）：≥785斷后伸長(zhǎng)率（δ5/%）：≥9斷面收縮率（ψ/%）：≥45沖擊吸取功（Aku2/J）：≥47布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高溫回火狀態(tài)）：≤42CrMo鋼的機(jī)械性能●特性及合用范圍：

強(qiáng)度、淬透性高，韌性好，淬火時(shí)變形小，高溫時(shí)有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。用于制造規(guī)定較35CrMo鋼強(qiáng)度更高和調(diào)質(zhì)截面更大的鍛件，如機(jī)車牽引用的大齒輪、增壓器傳動(dòng)齒輪、后軸、受載荷極大的連桿及彈簧夾，也可用于m如下石油深井鉆桿接頭與打撈工具等。

●化學(xué)成分：

碳C：0.38～0.45

硅Si：0.17～0.37

錳Mn：0.50～0.80

硫S：容許殘存含量≤0.035

磷P：容許殘存含量≤0.035

鉻Cr：0.90～1.20

鎳Ni：容許殘存含量≤0.030

銅Cu：容許殘存含量≤0.030

鉬Mo：0.15～0.25

●力學(xué)性能：

抗拉強(qiáng)度σb(MPa)：≥1080(110)

屈服強(qiáng)度σs(MPa)：≥930(95)

伸長(zhǎng)率δ5(％)：≥12

斷面收縮率ψ(％