搜索
高强度螺栓断裂分析曾振鹏(上海交通大学高温材料及高温测试教育部重点实验室，上海200030)摘要:采用断口分析、金相检验和硬度测定等方法，对高强度螺栓断裂原因进行了分析。断口分析结果表明，断口平坦，呈放射状花样，微观形态主要为准解理花样，表明螺栓的断裂是脆性断裂;同时发现，在断口附近还存在横向内裂纹，内裂纹的断口形态与断裂断口一样。金相分析表明，材料棒中存在严重的中心碳偏析，而中心碳偏析是引起断裂的主要原因。关键词:高强度螺栓;准解理;横向内裂纹;中心碳偏析某厂生产的一批规格为M30×160mm的高强度大六角头螺栓，在进行验收试验时发生断裂。螺栓材料为35CrMoA，采用常规工艺生产，硬度要求为35～39HRC。1检验1.1材料的化学成分用VD25直读光谱仪进行了材料化学成分分析，分析结果(质量分数)列于表1。从表1可以看出，材料的化学成分符合标准要求。1.2硬度测定硬度测定结果列于表2。由表可见，螺栓材料硬度虽符合技术要求，但已接近上限。1.3材料的显微组织(1)在抛光态下，可见材料中含有较严重的夹杂物，其形态、分布见图1。对照标准[2]，夹杂物级别为3～4级。图1夹杂物形态及分布状况100×图2螺栓的显微组织280×4%硝酸酒精溶液侵蚀(2)显微组织见图2。组织为回火马氏体+粒状贝氏体，并有少量铁素体。从图2可明显看出，组织中存在严重偏析，出现回火马氏体和粒状贝氏体带，致使显微组织不均匀，而且在回火马氏体带中存在MnS夹杂。对样品螺纹根部附近的组织进行了观察，未发现脱碳现象。1.4断口分析(1)图3a为断口的宏观形貌，断口较平坦，表面呈灰色，有明显的撕裂脊，呈放射状花样，放射线从中心向四周发射。表明裂纹先在中心形成，然后向外扩展。当裂纹扩展至整个横截面时，螺栓断裂。图3断口的宏观形貌图4断口微观形貌(2)断口的微观形态基本上以准解理花样为主，还有一些二次裂纹，如图4所示。从断口的宏观和微观分析可知，断裂断口为脆性断口，裂纹起源于中心部位。裂纹产生后向四周扩展，直至螺栓断裂。1.5螺纹部位横向内裂纹(1)在制取金相试样时，发现试样螺纹部分至少还有1～2个垂直轴线的横向内裂纹，其纵截面形态见图5，似人的嘴形。打开内裂纹，发现其面积已基本占据了整个横截面，其形态与断裂断口十分相似。图3b为它的宏观形貌。从断口的宏观形态上可以看出，裂纹面较平坦，呈灰色，有明显的呈放射花样的撕裂脊，放射线是从中心向四周放射的。比较图3a和图3b可以看出，它们的形貌是相同的。裂纹断口的微观形态也是以准解理花样为主加二次裂纹。断口的宏观、微观分析表明，该内裂纹断口与断裂断口本质上是一样的。(2)将剩余部分的螺栓沿中心纵向剖开，用10%硝酸溶液侵蚀，发现材料心部有严重的碳偏析，存在明显的流线，见图6。这与金相观察结果是一致的。对存在偏析的显微组织进行显微硬度测定，发现偏析中的回火马氏体区域的硬度为48.2HRC，大大高于粒状贝氏体区域的硬度(35.5HRC)。图5螺纹部位的横向内裂纹纵截面形态图6螺栓材料内部的碳偏析2分析与讨论2.1螺栓的横向内裂纹化学成分分析表明，螺栓材料的化学成分符合35CrMoA钢的标准成分，其硬度也在技术要求范围内(但已接近上限)。但是从金相分析结果可以看出，材料的内在质量较差，心部存在碳偏析，不仅降低了材料的韧性和塑性，而且由于组织不均匀，引起心部硬度不均匀，最高硬度已达48HRC。同时，材料中存在严重的夹杂物，致使螺栓心部材料硬而脆，因此施加载荷后首先在心部产生裂纹，而后形成横向内裂纹。所谓钢材的碳偏析是指钢材内各部位含碳量的不均匀性。碳偏析是树枝状偏析的结果，而树枝状偏析又是选择结晶的结果。钢在结晶时，先形成枝干，然后形成枝间，先结晶的枝干比较纯，碳浓度较低，而迟结晶的枝间碳浓度较高，形成碳分布不均。若钢材或锻件树枝晶发达，则钢的塑性和韧性降低，这种情况尤以中碳铬钼钢最为普遍，在压力加工时会形成流线，树枝晶偏析严重时还可使锻件破裂[3]。碳偏析是在冶金过程中由于种种原因造成的。紧固件原材料中的严重碳偏析会造成紧固件经热处理后各部位力学性能的显著差异。文献[4]报道，有一批某型汽车上的45钢螺栓，在使用中连续发生断裂事故，经检查发现，断裂是由心部开始，整个断口呈放射状脆断形貌，将这批螺栓所用钢材沿其轧制方向剖开，发现在试样中心存在着内部裂纹，经酸蚀后可看出严重的中心碳偏析。所以，可以认为，本例螺栓受载荷后产生脆性断裂和存在横向内裂纹是与螺栓材料内存在中心碳偏析有关。2.2内裂纹为什么内裂纹不象断口裂纹那样使螺栓断裂呢?这是因为拧紧螺母后，在螺杆上产生的轴向拉力分布是不均匀的，轴向力在旋合各圈罗纹牙间的分布呈双曲余弦函数关系，第一圈罗纹牙承受的轴向力最大，然后依次减小[5]。因为与横向内裂纹相对应的螺纹处的轴向应力小，所以螺栓没有断裂。2.3材质虽然螺栓材料的化学成分符合35CrMoA钢标准，但其夹杂物含量较高(3～4级)，且存在中心碳偏析，因此认为，该批螺栓的材质是不合格的。3结论(1)螺栓的断裂为脆性断裂。(2)断裂的原因是因为螺栓材质不良———原材料棒中存在中心碳偏析以及严重的夹杂物。4建议(1)加强对原材料的质量检查。(2)为了提高螺栓材料的综合力学性能，硬度控制在技术要求的中限附近。40Cr钢螺栓断裂分析刘泽坤(湖北江山机械厂，襄樊441003)摘要：采用金相检验、硬度测试及化学成分分析等方法对变速箱制动鼓定位螺栓断裂的原因进行了分析。结果表明，由于零件在热加工后未按要求进行热处理，导致出现非正常组织，降低了零件的硬度和强韧性，加上零件肩胛根部没有过渡圆弧易造成应力集中，因此在装车使用后不久便发生了螺栓断裂失效。关键词：螺栓;断裂；显微组织；应力集中；铁素体1情况简介我厂生产的某型号的变速箱在装车使用后不久，即发生了一批变速箱制动鼓定位螺栓断裂事故，断裂部位均发生在截面急剧变化的肩胛处。由于该批螺栓系外购件，其热处理工艺尚不十分清楚。按设计要求，该批螺栓为M14螺栓，其长度为55mm，材料为40Cr，热处理后调质硬度为255～321HBS，表面经软氮化处理，要求氮化层深度为0.05～012mm，硬度为35～50HRC，相当于329～509HV。2理化检验2.1化学成分分析从螺栓上取样进行化学成分分析，结果列于表1。可见螺栓的化学成分符合GB/T3077-1999的要求。2.2宏观断口分析断裂发生在螺栓肩部与杆部连接处，见图1。按设计要求，杆部与肩部连接端应有滚花，长约10mm，其连接处应留R为0.5mm的过渡圆弧。从断裂零件的肩部可见到明显的因滚花留下的挤压痕迹，说明滚花时已滚到零件的肩胛部，在连接处没有过渡圆弧。断口表面较平整，无肉眼可见的宏观塑性变形，断裂零件表面亦未见明显的机械损伤痕迹，属一次性脆性断裂。2.3硬度测试将断裂螺栓两端磨平后进行硬度测试，测得心部硬度为235～250HBS，硬度偏低。表面硬度为465～485HV，属于正常的软氮化硬度。图1螺栓断裂部位示意图(mm)2.4金相检验从螺栓断裂部位取样进行金相检验，心部组织为网状铁素体+珠光体，并有少量呈针状的铁素体，由晶界向晶内延伸，呈现轻微的魏氏组织状态，见图2。图2断裂螺栓心部组织照片400×图3正常调质螺栓心部组织照片400×4%硝酸酒精溶液侵蚀4%硝酸酒精溶液侵蚀在R和滚花交界处沿纵向制样观察，基体材料中非金属夹杂物含量较少，符合国家标准要求，其近表面组织与心部组织基本相同，为珠光体+少量网状铁素体。从使用正常未曾断裂的另一批螺栓上取样进行金相检验，在光学显微镜下，螺栓的显微组织为均匀回火索氏体，见图3。3结果分析由于该批零件是制动鼓定位螺栓，使用时承受较大的交变载荷，故要求零件应具有较高的强度和较好的冲击韧性。根据成分分析可知，该零件所用材料的化学成分符合GB/T3077-1999中40Cr钢的要求，可排除因材料错用而造成的断裂。从金相组织上看，由于该批零件心部组织是珠光体及少量铁素体，且铁素体呈网状分布，部分呈针状分布，这种组织同一般40Cr钢锻造正火组织极为相似[1]。说明该批零件并未按要求进行调质处理，可能只是头部镦成型后进行正火处理。由于这种网状铁素体的存在，破坏了组织的连续性，导致基体强度明显降低，塑、韧性下降。有资料表明[2]，钢件中魏氏组织的存在，使材料的力学性能明显下降，尤其是冲击韧性下降很多。这种组织的形成是由于零件在热加工过程中的终锻温度过高而冷却又过缓，导致了铁素体沿晶界呈网状析出。这种不良组织状态是造成零件断裂的根本原因。从零件断裂的部位上看，断裂发生在肩胛的根部，由于该处没有过渡圆弧，容易形成应力集中，变速箱制动时，必然会加大对螺栓施加各方向应力，当应力超过其断裂强度时，造成在应力集中的薄弱处断裂。4结论螺栓断裂的根本原因是由于零件在热加工后，未按热处理工艺要求进行处理，造成零件组织状态不良，硬度偏低，强韧性较差。加之零件机加工时，肩胛根部没有过渡圆弧，造成应力集中，一但受力较大必将导致沿圆周倒角处断裂。日本爱信用高强度螺栓材质SCM440（主减齿圈连接螺栓）40Cr钢的最大屈服强度：试样毛坯尺寸（mm）：25热处理：第一次淬火加热温度（℃）：850；冷却剂：油第二次淬火加热温度（℃）：-回火加热温度（℃）：520；冷却剂：水、油抗拉强度（σb/MPa）：≥980屈服点（σs/MPa）：≥785断后伸长率（δ5/%）：≥9断面收缩率（ψ/%）：≥45冲击吸收功（Aku2/J）：≥47布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：≤42CrMo钢的机械性能●特性及适用范围：强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹，也可用于2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具等。●化学成份：碳C：0.38～0.45硅Si：0.17～0.37锰Mn：0.50～0.80硫S：允许残余含量≤0.035磷P：允许残余含量≤0.035铬Cr：0.90～1.20镍Ni：允许残余含量≤0.030铜Cu：允许残余含量≤0.030钼Mo：0.15～0.25●力学性能：抗拉强度σb(MPa)：≥1080(110)屈服强度σs(MPa)：≥930(95)伸长率δ5(％)：≥12断面收缩率ψ(％)：≥45冲击功Akv(J)：≥63冲击韧性值αkv(J/cm2)：≥78(8)硬度：≤217HB试样尺寸：试样毛坯尺寸为25mm最明显的区别，二次回火脆性倾向，42CrMo优于40Cr;再次，由于碳含量和合金元素总量，也高于后者，耐回火性好42CrMo淬透性优于40Cr，热处理工艺性能好。调质后，力学综合性能优于40Cr。常用于制造要求强度更高综合性能更好的重要构件mo的加入是为了提高热硬性的。42CrMo的机械性能、热处理条件要好于40Cr，价格也高