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高强度螺栓断裂分析 |
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作者：上海交通大学 曾振鹏 |
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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×
(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
(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。
图4断口微观形貌
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。
图5螺纹部位的横向内裂纹纵截面形态
(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。
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(8/6/2010) |
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