40Cr材質(zhì)螺栓裝配斷裂分析

郭 濤，黃 超

（國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖241000）

0 引言

螺栓作為重要的緊固件，其失效引起的結(jié)果往往具有較大的危害性。螺栓斷裂失效研究的文獻(xiàn)也集中于高強(qiáng)螺栓，其中對高強(qiáng)螺栓的研究主要以氫脆為主[1-5]，其中也有部分螺栓是由于疲勞[6，7]或者材料自身缺陷[8]導(dǎo)致的斷裂，對螺栓裝配不當(dāng)引起的高強(qiáng)螺栓斷裂報(bào)導(dǎo)較少。

在對某液壓閥進(jìn)行裝配時(shí)，96件該螺栓在裝配過程中有2件發(fā)生斷裂。所有螺栓均為新件且檢驗(yàn)合格。螺栓規(guī)格為M10內(nèi)六角螺栓，12.9級（GB/T 70.1）。螺栓材質(zhì)為40Cr，表面處理采用氧化發(fā)黑，二次達(dá)克羅表面處理。為防止該斷裂的再次發(fā)生，通過對螺栓進(jìn)行外觀觀察，對螺栓斷口進(jìn)行宏微觀觀察，結(jié)合螺栓材料的金相組織、硬度等檢測結(jié)果，確定了螺栓斷裂性質(zhì)，并對其失效原因進(jìn)行了分析，給出了預(yù)防措施。

圖1 螺栓頭靠螺桿側(cè)端面外觀

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

試驗(yàn)選取3件螺栓，其中2件為安裝后斷裂螺栓（編號為1#螺栓和2#螺栓），另一件為安裝后未斷裂螺栓（編號為3#螺栓）。如圖1(a）～圖1(c）所示，從3件螺栓頭的裝配損傷痕跡來看，1#和2#螺栓頭靠螺桿側(cè)端面磨損較嚴(yán)重，3#螺栓頭靠螺桿側(cè)端面輕微磨損，表明斷裂的1#和2#螺栓裝配應(yīng)力相對較大。

1.2 體式觀察

對螺栓超聲波清洗后進(jìn)行體式鏡觀察。1#螺栓斷面下第一扣螺紋處部分已被磨平，未磨平的螺紋還可見塑性變形，見圖2（a）.2#螺栓多處螺紋已經(jīng)被磨平，且靠近斷裂位置可見輕微的塑性變形，如圖2（b）.3#螺栓完整，螺紋部位未發(fā)現(xiàn)明顯螺紋磨平的痕跡，如圖2（c）.從以上3件螺栓的螺紋磨損痕跡來看，也表明斷裂的1#和2#螺栓裝配應(yīng)力相對較大。

螺栓斷口清洗后，銹蝕斷面基本被清除，。1#螺栓斷面較平坦，呈灰色，見圖3（a）.2#螺栓斷面呈灰色，可見明顯的放射棱線，從棱線匯聚方向可判斷其起源于螺栓表面，見圖3（b）.

1.3 斷口微觀觀察

將螺栓斷口經(jīng)超聲波清洗后進(jìn)行掃描電鏡觀察。1#螺栓斷口心部為等軸韌窩，邊緣為剪切韌窩，見圖4，可判斷1#螺栓為過載斷裂。2#螺栓斷口可見明顯的放射棱線匯聚于表面一側(cè)，對該區(qū)放大主要呈韌窩特征，還可見少量的解理特征，其它區(qū)域邊緣為拉長韌窩，心部為等軸韌窩形貌，見圖5.由此判斷2#螺栓也為過載斷裂。

圖4 1#螺栓斷口微觀形貌

圖5 2#螺栓斷口微觀形貌

1.4 金相組織檢查

在螺栓斷口附近截取金相試樣，磨制拋光經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后進(jìn)行金相組織檢查。螺栓組織均勻，為回火索氏體組織，未見其它異常，見圖6.

圖6 螺栓金相組織

1.5 硬度檢測

在螺栓斷口附近截取硬度試樣，由于試樣較小，采用A標(biāo)尺洛氏硬度（HRA）進(jìn)行測試，并根據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算成C標(biāo)尺的洛氏硬度值（HRC）和抗拉強(qiáng)度（σb），結(jié)果見表1.由測試結(jié)果可知，斷裂螺栓和完好螺栓硬度值均較均勻，硬度平均值相當(dāng)，符合GB/T 3098.1-2000中12.9級中對螺栓的技術(shù)要求。

表1 螺栓硬度測試結(jié)果

1.6 氫含量檢測

在斷裂螺栓和同批次螺栓上分別進(jìn)行氫含量測試，測試結(jié)果見表2.由表2結(jié)果可知，斷裂螺栓的氫含量為1.5 ppm，同批次完好螺栓氫含量為1 ppm.

表2 螺栓氫含量測試結(jié)果（ppm）

2 分析與討論

宏微觀觀察可知，1#、2#螺栓斷口均主要為韌窩特征，可判斷螺栓斷裂性質(zhì)為過載斷裂。1#、2#、3#螺栓組織均勻，為回火索氏體，符合40Cr材料調(diào)質(zhì)處理的組織要求；3件螺栓硬度值相當(dāng)，HRC平均值分別為 40.2、40.4和 40.4，符合螺栓技術(shù)要求（GB/T 3098.1-2000中 12.9級螺栓，σb≥1 200 MPa，HRC 的測試值在39～44，可知螺栓斷裂與材質(zhì)無關(guān)。斷裂螺栓和完好螺栓的氫含量相差不大，分別為1.5 ppm和1 ppm，可知?dú)鋵Ρ敬温菟〝嗔训挠绊懸膊淮蟆?/p>

斷裂的1#和2#螺栓的螺紋可見磨損和變形痕跡，螺栓頭靠螺桿側(cè)端面處磨損相對更嚴(yán)重，而完好的3#螺栓的螺紋外觀完整，螺栓頭靠螺桿側(cè)端面未見嚴(yán)重磨損痕跡，可推斷斷裂螺栓在安裝過程中由于裝配應(yīng)力較大，導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂。

綜上所述，2件斷裂螺栓為過載斷裂，其斷裂與過大的裝配應(yīng)力有關(guān)。建議在液壓閥裝配過程嚴(yán)格控制螺栓安裝過程，使用力矩扳手等工具控制安裝應(yīng)力。

3 結(jié)論與建議

（1）2件螺栓斷裂螺栓為過載斷裂，其斷裂與過大的裝配應(yīng)力有關(guān)；

（2）螺栓組織均勻，硬度值符合技術(shù)要求；

（3）建議嚴(yán)格控制螺栓安裝過程。