1、高強(qiáng)度螺栓斷裂分析曾振鵬(上海交通大學(xué)高溫材料及高溫測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海)摘要:采用斷口分析、金相檢驗(yàn)和硬度測定等方法，對高強(qiáng)度螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析。斷口分析結(jié)果表明，斷口平坦，呈放射狀花樣，微觀形態(tài)主要為準(zhǔn)解理花樣，表明螺栓的斷裂是脆性斷裂;同時發(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)與斷裂斷口一樣。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主要原因。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M30160mm的高強(qiáng)度大六角頭螺栓，在進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)時發(fā)生斷裂。螺栓材料為35CrMoA，采用常規(guī)工藝生產(chǎn)，硬度要求為3539HR

2、C。1檢驗(yàn)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，分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))列于表1。從表1可以看出，材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。1.2硬度測定硬度測定結(jié)果列于表2。由表可見，螺栓材料硬度雖符合技術(shù)要求，但已接近上限。1.3材料的顯微組織(1)在拋光態(tài)下，可見材料中含有較嚴(yán)重的夾雜物，其形態(tài)、分布見圖1。對照標(biāo)準(zhǔn)2，夾雜物級別為34級。 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，并有少量鐵素體。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，而且在

3、回火馬氏體帶中存在MnS夾雜。對樣品螺紋根部附近的組織進(jìn)行了觀察，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，有明顯的撕裂脊，呈放射狀花樣，放射線從中心向四周發(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)展至整個橫截面時，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)解理花樣為主，還有一些二次裂紋，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，裂紋起源于中心部位。裂紋產(chǎn)生后向四周擴(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，發(fā)現(xiàn)試樣螺紋部分至少還有12個垂直軸線的橫向內(nèi)裂紋，其縱截面

4、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，有明顯的呈放射花樣的撕裂脊，放射線是從中心向四周放射的。比較圖3a和圖3b可以看出，它們的形貌是相同的。裂紋斷口的微觀形態(tài)也是以準(zhǔn)解理花樣為主加二次裂紋。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)上是一樣的。(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。這與金相觀察結(jié)果是一致的。 對存在偏析的顯微組織進(jìn)行顯微硬度測定，發(fā)現(xiàn)偏析中的回火馬氏體區(qū)域的硬度為4

5、8.2HRC，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鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分，其硬度也在技術(shù)要求范圍內(nèi)(但已接近上限)。但是從金相分析結(jié)果可以看出，材料的內(nèi)在質(zhì)量較差，心部存在碳偏析，不僅降低了材料的韌性和塑性，而且由于組織不均勻，引起心部硬度不均勻，最高硬度已達(dá)48HRC。同時，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

6、的結(jié)果，而樹枝狀偏析又是選擇結(jié)晶的結(jié)果。鋼在結(jié)晶時，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)，則鋼的塑性和韌性降低，這種情況尤以中碳鉻鉬鋼最為普遍，在壓力加工時會形成流線，樹枝晶偏析嚴(yán)重時還可使鍛件破裂3。碳偏析是在冶金過程中由于種種原因造成的。緊固件原材料中的嚴(yán)重碳偏析會造成緊固件經(jīng)熱處理后各部位力學(xué)性能的顯著差異。文獻(xiàn)4報(bào)道，有一批某型汽車上的45鋼螺栓，在使用中連續(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)現(xiàn)在試樣中心存在著內(nèi)部裂紋，經(jīng)酸蝕后

7、可看出嚴(yán)重的中心碳偏析。所以，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)裂紋為什么內(nèi)裂紋不象斷口裂紋那樣使螺栓斷裂呢?這是因?yàn)閿Q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。因?yàn)榕c橫向內(nèi)裂紋相對應(yīng)的螺紋處的軸向應(yīng)力小，所以螺栓沒有斷裂。2.3材質(zhì)雖然螺栓材料的化學(xué)成分符合35CrMoA鋼標(biāo)準(zhǔn)，但其夾雜物含量較高(34級)，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)斷裂的原因是因?yàn)槁菟ú馁|(zhì)不良原

8、材料棒中存在中心碳偏析以及嚴(yán)重的夾雜物。4建議(1)加強(qiáng)對原材料的質(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)要求的中限附近。40Cr鋼螺栓斷裂分析劉澤坤(湖北江山機(jī)械廠，襄樊)摘要：采用金相檢驗(yàn)、硬度測試及化學(xué)成分分析等方法對變速箱制動鼓定位螺栓斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，由于零件在熱加工后未按要求進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致出現(xiàn)非正常組織，降低了零件的硬度和強(qiáng)韌性，加上零件肩胛根部沒有過渡圓弧易造成應(yīng)力集中，因此在裝車使用后不久便發(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情況簡介我廠生產(chǎn)的某型號的變速箱在裝車使用后不久，即發(fā)生了一批變速箱制動鼓定位螺栓斷

9、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楚。按設(shè)計(jì)要求，該批螺栓為M14螺栓，其長度為55mm，材料為40Cr，熱處理后調(diào)質(zhì)硬度為255321HBS，表面經(jīng)軟氮化處理，要求氮化層深度為0.05012mm，硬度為3550HRC，相當(dāng)于329509HV。2理化檢驗(yàn)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，結(jié)果列于表1?？梢娐菟ǖ幕瘜W(xué)成分符合GB/T3077-1999的要求。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)要求，桿部與肩部連接端應(yīng)有滾花，長約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

10、顯的因滾花留下的擠壓痕跡，說明滾花時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硬度測試將斷裂螺栓兩端磨平后進(jìn)行硬度測試，測得心部硬度為235250HBS，硬度偏低。表面硬度為465485HV，屬于正常的軟氮化硬度。圖1螺栓斷裂部位示意圖(mm)2.4金相檢驗(yàn)從螺栓斷裂部位取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，心部組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，并有少量呈針狀的鐵素體，由晶界向晶內(nèi)延伸，呈現(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

11、精溶液侵蝕在R和滾花交界處沿縱向制樣觀察，基體材料中非金屬夾雜物含量較少，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，其近表面組織與心部組織基本相同，為珠光體+少量網(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)行金相檢驗(yàn)，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結(jié)果分析由于該批零件是制動鼓定位螺栓，使用時承受較大的交變載荷，故要求零件應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和較好的沖擊韌性。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鋼的要求，可排除因材料錯用而造成的斷裂。從金相組織上看，由于該批零件心部組織是珠光體及少量鐵素體，且鐵素體呈網(wǎng)狀分布，部分呈針狀分布，這種組織同一般40

12、Cr鋼鍛造正火組織極為相似1。說明該批零件并未按要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，可能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，破壞了組織的連續(xù)性，導(dǎo)致基體強(qiáng)度明顯降低，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很多。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)是造成零件斷裂的根本原因。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，容易形成應(yīng)力集中，變速箱制動時，必然會加大對螺栓施加各方向應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過其斷裂強(qiáng)度時，造成在應(yīng)力集中的薄弱處斷裂。4結(jié)論螺栓斷

13、裂的根本原因是由于零件在熱加工后，未按熱處理工藝要求進(jìn)行處理，造成零件組織狀態(tài)不良，硬度偏低，強(qiáng)韌性較差。加之零件機(jī)加工時，肩胛根部沒有過渡圓弧，造成應(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（b/MPa）：980 屈服點(diǎn)（s/MPa）：785 斷后伸長率（5/%）：9 斷面收縮率（/%）：45 沖擊吸收功（Aku2/J）：47 布氏硬度（HBS10

14、0/3000）（退火或高溫回火狀態(tài)）：42CrMo鋼的機(jī)械性能特性及適用范圍： 強(qiáng)度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小，高溫時有高的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。用于制造要求較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、增壓器傳動齒輪、后軸、受載荷極大的連桿及彈簧夾，也可用于 2000m以下石油深井鉆桿接頭與打撈工具等。 化學(xué)成份： 碳 C ：0.380.45 硅 Si：0.170.37 錳 Mn：0.500.80 硫 S ：允許殘余含量0.035 磷 P ：允許殘余含量0.035 鉻 Cr：0.901.20 鎳 Ni：允許殘余含量0.030 銅 Cu：允許殘余含量0.030 鉬 Mo：0.150.25 力學(xué)性能： 抗拉強(qiáng)度 b (MPa)：1080(110) 屈服強(qiáng)度 s (MPa)：930(95) 伸長率 5 ()：12 斷面收縮率 ()：45 沖擊功