4.8級六角頭螺栓頭部斷裂原因分析

摘要 本文采用酸蝕試驗，化學分析，金相檢驗，掃描電鏡等方法，對常熟標準件廠生產的4.8級低碳鋼制六角頭螺栓在安裝時發生頭部斷裂的現象進行了分析。結果證明該螺栓位于頭部沿徑向的脆性斷裂，是頭部冷鐓過程中偏心導致頭部產生折疊，繼而產生的裂紋引起的。

關鍵詞 六角頭 脆性斷裂 偏心 折疊

引言 我廠生產的4.8級六角頭螺栓，客戶在使用安裝時屢次發生位于頭部沿徑向的脆性斷裂。該螺栓的生產工序為：材料退火→材料拉拔→冷鐓→搓牙。我們對斷裂螺栓進行了物理和化學性能的分析，并同時與其他批次合格螺栓進行了比較。

1 檢驗及分析

1.1 檢測儀器

MAXxLMF14直讀光譜儀 HXS-1000A金相顯微鏡 HR-150A硬度計 EVO 18掃描電鏡

1.2 宏觀及酸蝕試驗

取斷裂螺栓型號為1180 16X45 ，圖1為斷口形貌，可見斷口成灰色結晶狀，光滑平坦，裂紋起源于次表面（箭頭處），看不到纖維區，剪切唇區很小，整個斷面呈現脆性斷裂特征。

取斷裂螺栓的頭部沿縱向中心線剖開做低倍酸蝕試驗，同時取不同批次合格螺栓與之比較。圖2是斷裂同批次未使用螺栓，在頭部距支撐面1/3處一條明顯裂紋，裂紋處金屬流線有折疊，有尖角，左右不對稱。圖3是其他批次合格螺栓，金屬流線完整對稱，金屬纖維連續。

圖2也說明螺栓安裝扭斷之前已有裂紋存在，這裂紋是在之前的工序產生的。

1.3 硬度 HRB82 符合4.8級標準

1.4 化學分析

用直讀光譜儀測斷裂螺栓的化學成分，結果如下：

0.10%C， 0.11%Si， 0.41%Mn， 0.011%S， 0.013%P

材料符合標準規定。

1.5 金相分析

取斷裂螺栓的橫截面做金相試樣，晶粒度6級，組織為塊狀F+少量聚集的粒狀P。為正常退火組織。（圖略）

1.6 掃描電鏡分析

對斷裂螺栓的斷口進行掃描電鏡觀察（圖4），斷口形貌既非解理形貌，也非典型的晶間斷裂形貌，而是非常平坦的金屬平面，在金屬平面上，是不同晶粒壓平后的晶界（呈亮線）。說明鋼在安裝扭斷前并無原子間的金屬鍵結合，而是一種不嚴格的壓合狀態，即在破斷前內部非完整的金屬晶體結構。

這一結論證實了前面提到的裂紋發生在冷鐓工序或之前，斷口經末次鐓粗已被破壞，只能看到壓平后的狀態。

2螺栓斷裂原因分析

由圖5可見，螺栓的裂紋發生在安裝扭斷之前，頭部冷鐓成型是關鍵工序。

螺栓冷鐓的第一步是切料，無論哪一種切斷方式，坯件的切斷面都不能與其軸心線垂直，應有一個1°～5°角的傾斜。這樣在冷鐓時，初沖對坯件的著力點不在中心，而會出現偏心，使坯件受力不均，從而產生變形不均，導致頭部成形時因縱向彎曲而出現折迭。對于切斷面傾斜角小的，變形中產生的縱向彎曲不明顯，不至于達到影響頭部質量的程度。（圖5）相對而言，低碳鋼因為有較好的塑性和低的硬度，這個傾斜角趨于上限。

此外，初沖型腔的底端是對坯件施加鐓鍛力的傳遞面，如果中心偏移，合力的作用中心勢必產生偏移，同樣道理，也是產生縱向彎曲的因素。其它如機床的運行精度、操作者對工裝安裝調整水平也對初沖成形有影響。也會因偏心導致折疊產生。

這就是導致螺栓六角頭縱剖面金屬流線產生不對稱和折疊（圖3）的原因。

經過之前的拉絲工序，材料產生形變硬化，相比而言心部硬度明顯低于表面硬度，即材料心部的σb低于表面。初鐓時，材料因偏心受軸向壓應力的同時也受到徑向的剪切力[1]，當這個剪切力超過心部σb時，在應力集中處（折疊尖端，夾雜，偏析等缺陷處）就產生了

橫向裂紋，這個裂紋在繼續鐓粗的過程瞬間擴展，以致沒有明顯的纖維區，再繼續鐓粗的過程將開裂面金屬晶粒壓合就是之后掃描電鏡觀察到的圖4。對于低強度的材料一般總認為其塑性較好，不應該發生脆性斷裂，但因為同時強度σb也低，變形中的材料存在某些缺陷時（如折疊，夾雜，偏析等），這些缺陷處的應力集中就足以產生開裂。這解釋了此斷裂螺栓的裂紋起源于次表面而非外表面。

這種頭部有裂紋（圖2）的螺栓如果做拉伸試驗會發生低應力的脫頭（頭桿結合部的斷裂），在使用安裝過程中受到預緊力則會發生頭部裂紋截面處的斷裂。

3結論及建議

1、螺栓斷裂脫頭的主要原因是冷鐓工序中偏心造成的。

2、冷鐓工序應避免初鐓時沖壓力與工件的偏心，這可以通過切料后安排坯件整形，初沖中采用帶彈簧的頂桿，增加操作工培訓以提高工裝安裝調整水平等來加以改善。

3、對一些重要部位的螺栓（如1180 4.8級螺栓）改用含微量Al的08Al、10Al，達到細化晶粒，改善材料韌性的目的。[2]

4、增加無損探傷以剔除存在內部裂紋的工件。

參考文獻 [1]上海市機械制造工藝研究所主編 金相分析技術 上海：上海科學技術文獻出版社，1987： 896

[2]章守華 .合金鋼 北京：冶金工業出版社，1981：24

作者簡介：巢愛華（1964-）， 女，漢族，湖南長沙人， 常熟標準件廠，大學本科， 從事理化檢驗及熱處理工作。