35CrMo螺栓断裂分析

３５ＣｒＭｏ螺栓断裂分析徐姚兴•通过宏观检验、断口分析、金相检验、显微硬度测试等方法，对３５ＣｒＭｏ螺栓断裂的原因进行了分析。结果表明：螺栓外侧牙底存在大量热处理裂纹和滚压过程中造成的折叠，在动载荷作用下逐渐扩展，最终导致螺栓发生了疲劳断裂。图１螺栓断裂及试样选取位置某高速列车上使用的一批３５ＣｒＭｏ高强度螺栓在使用过程中发生批量断裂，断裂位置为螺栓的螺纹部位，且位于距光杆第５～６扣螺纹处，断裂面呈横向断裂，如图１所示。该螺栓的主要制造工艺为滚压加工后调质处理。为了避免此类事故的再次发生，对该螺栓进行了理化检验及断裂原因分析。１理化检验１.１宏观断口分析螺栓断裂均发生在螺纹根部，断口宏观特征基本相同，呈暗灰色，断面干净整洁无明显锈蚀。通过进一步仔细观察发现该断口分为３个明显的区域，如图２所示，Ａ区为裂纹源区；Ｂ区为裂纹扩展区，面积较大且较平整，有明显的疲劳弧线；Ｃ区为瞬间断裂区，面积较小且断面较粗糙。根据现有研究成果可知，该断口的形貌为典型的疲劳断口形貌，结合其受力状态，可初步判定该螺栓的断裂类型为低应力疲劳断裂。图２螺栓的宏观断口形貌１.２裂纹形貌观察在低倍显微镜下观察发现螺纹牙底分布着大量细长的裂纹，如图３，4所示。图３螺纹表面的热处理裂纹图４螺纹齿根底部的热处理裂纹进一步沿轴线切开螺纹轴（图１），研磨剖面在高倍显微镜下观察，发现裂纹自表层向心部延伸，起始端开口较宽，尾部细长曲折，且大裂纹附近分布着大量细长的小裂纹，如图５所示，经体积分数为４％的硝酸酒精溶液轻微侵蚀后，发现裂纹呈沿晶断裂特征，如图６所示，裂纹内部整洁，无明显夹杂物，此现象为明显的热处理裂纹。裂纹深度为７０～８０μｍ，最大深度可达到１００μｍ以上，裂纹附近未发现有明显的非金属夹杂物。图5纵剖面热处理裂纹的未侵蚀形貌图６沿晶热处理裂纹侵蚀后的形貌１.３显微组织及显微硬度检测螺栓的热处理工艺为调质处理，显微组织为正常的回火索氏体（图7），符合调质处理的显微组织状态。回火索氏体是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物，具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度和硬度，具备良好的综合力学性能。对螺栓心部进行维氏硬度检测，检测结果为４１１ＨＶ，符合相关标准中硬度＞３１８ＨＶ的要求。图7螺栓心部的显微组织另外在螺纹的表面也发现了如图8所示的不光滑起皮现象，截取端面研磨后置于光学显微镜下观察，发现在如图9中箭头所指处的螺纹表面存在大量折叠缺陷。折叠缺陷是由于螺纹表层在滚压过程中受到挤压力而产生的重叠层。图8螺纹表面的起皮现象图9牙底的折叠缺陷２分析与讨论（1）螺栓断口无明显的宏观塑性变形，裂纹扩展区面积较大，且较平整，有明显的疲劳弧线，瞬断区面积较小，结合３５ＣｒＭｏ螺栓的工作状态可以判断，该螺栓的断裂性质为低应力疲劳断裂。（2）经裂纹宏观与微观形貌观察，发现几乎每个螺纹牙底都分布着细长的热处理裂纹。裂纹开口端较宽，尾部细长曲折，呈沿晶断裂，为典型的热处理裂纹形貌。（3）另外发现螺纹表面不光滑，主要是由于螺栓的滚压工艺不当，造成了折叠、起皮等缺陷所致。３结论３５ＣｒＭｏ螺栓的断裂性质为低应力疲劳断裂。该螺栓在制造过程中由于热处理及滚压工艺不当，造成了大量的裂纹和缺陷，这些裂纹和缺陷存在很大的应力集中，成为疲劳裂纹源，在循环应力的作用下裂纹逐渐扩展，最终发生了疲劳断裂。