30CrMnSiNi2A螺栓脆性斷裂問題研究

楊志丹，顧皞，張國勝，鄧春

（1．海軍駐北京地區特種導彈專業軍事代表室；2．首都航天機械公司；3.北京航天發射技術研究所，北京 10076）

1 概述

緊固螺栓斷裂是工程中常見的問題，也是一些惡性事故的元兇，必須解決關鍵、重要的產品上緊固螺栓斷裂問題。工程中通過抽檢試驗等方式進行緊固螺栓可靠性驗證。30CrMnSiNi2A材料緊固螺栓是一種高強度的螺栓。在拉伸載荷試驗時，有部分緊固螺栓加載197～200kN（螺紋M14×1.25），帶載20～56小時時發生斷裂。因為在實際工作中，該螺栓需承受長時間的拉力載荷，若緊固螺栓的帶載時發生斷裂，將對產品造成隱患。

2 問題分析

2.1 初步分析

經對緊固螺栓進行觀察，螺栓斷裂位置位于螺帽根部，螺帽斷為兩部分，斷口附近未見腐蝕及變形痕跡；其余螺栓斷裂位置均位于載荷較大螺紋根部，斷口附近未見腐蝕及變形痕跡。

體視顯微鏡下觀察，螺帽根部斷裂的螺栓斷口源區位于螺帽根部表面，大載荷螺紋根部斷裂螺栓的斷口源區位于螺紋根部表面，源區均未見材料缺陷及機械損傷痕跡，擴展區呈放射狀，終斷區存在剪切唇。經分析認為，三件螺栓斷口具有脆性斷裂特征。

2.2 建立問題分析樹

根據分析結果，以緊固螺栓頭部脆性斷裂為頂事件，建立問題分析樹如下（圖1）。

圖1 緊固螺栓脆性斷裂問題分析樹

2.3 故障樹排查

經產品原材料化學成分檢測，原材料C含量、氫含量及其它化學成分結果符合標準規定要求X1、X2；經分析緊固螺栓加工過程中無引入氫環節X3；經磁力探傷檢測，表面沒有裂紋，符合要求X4；隨機挑選多件緊固螺栓對R角進行檢測，結果符合要求X5。

2.3.1 熱處理產生回火脆性X6

試件的回火溫度為346～350℃，雖然產品回火后經力學性能檢測合格（σb=1660/1670，σ0.2=1410/1380，δ5=12/11）。通過分析問題機理，回火脆性主要應對沖擊載荷與沖擊斷口進行觀察來判斷。

抽取同批次緊固螺栓進行沖擊功檢測與斷口形貌觀察。經檢測，沖擊功分別為25.40J、28.38J、32.08J，沖擊功偏低。

沖擊斷口形貌，結果為沿晶+解理+韌窩的混合斷口形貌。

上述分析說明熱處理產生回火脆性的可能性不能排除。

2.3.2 真空鍍覆氮化鈦（TiN）過程溫度過高產生回火脆性X7

緊固螺栓表面為真空鍍覆氮化鈦處理，經歷兩個熱過程。第一個熱過程是前處理過程中，使用酒精+金剛砂對零件進行手工打磨，除去零件表面的氧化層，然后進行烘干，烘干過程的工作溫度為60～80℃，遠低于零件回火溫度。第二個熱過程是在真空鍍覆氮化鈦過程中，為多弧離子鍍控溫工藝，溫度控制在160℃，整個過程共持續40～50min。真空鍍氮化鈦工藝過程的溫度均遠低于回火溫度。

3 斷裂原因及試驗驗證

3.1 斷裂原因

30CrMnSiNi2A材料淬火后，組織由高溫時的奧氏體轉變為板條狀馬氏體和殘余奧氏體，殘余奧氏體存在于馬氏體板條之間，呈薄膜狀。該薄膜存在對于材料韌性有利，因為奧氏體容易變形，在外力作用下，馬氏體板條邊界的殘余奧氏體產生塑性形變，使馬氏體板條界面處因位錯堆積而產生的應力集中得到松弛,從而防止了裂紋的形成，從而提高鋼的斷裂韌性。在350～550℃進行回火時，殘余奧氏體分解為Fe3C薄膜，由于Fe3C薄膜屬于脆性組織，導致金屬斷裂時沿著馬氏體板條斷裂，表現為沿晶斷裂的特征，使得金屬韌性降低，應出現了明顯的回火脆性（附錄1、2）。鑒于本批產品的回火溫度為346～350℃，同時沖擊斷口存在沿晶形貌，說明在346～350℃回火參數條件下，材料已進入或臨近回火脆性區，回火脆性應是導致問題的根本原因。

在進行螺栓拉伸試驗時，螺栓整體受軸向拉應力，由于螺栓頭根部及螺紋處存在應力集中，隨著拉力的不斷增大，應力集中更加嚴重。當拉力達到材料極限時，應力集中區域最先萌生裂紋并擴展。由于材料的回火脆性，韌性下降、晶界弱化，造成緊固螺栓頭的R角處及螺紋根部等應力集中區域對氫更加敏感，對產品材料本身所含氫元素的聚集有促進作用，隨著時間推移，易形成氫富集區域，造成氫致損傷，導致脆性斷裂。斷口呈現脆性，表現為沿晶開裂和解理形貌。

3.2 試驗驗證

為驗證上述分析結論，進行回火溫度對材料力學性能、沖擊性能與微觀組織的影響試驗，試驗結果見表1。

表1 試驗結果

從試驗結果看，隨著回火溫度的升高，抗拉強度、屈服強度變化不明顯。在320℃回火時沖擊功保持在41～49J，但在350℃回火時沖擊功降至25～33J，說明韌性明顯減低，脆性迅速提高。通過斷口形貌分析，拉伸試樣斷口均為韌窩形貌，而沖擊試樣在350℃時開始出現明顯的沿晶斷裂形貌。說明隨著回火溫度的升高，在沖擊試樣上試件表現出回火脆性敏感，而拉伸試樣對于回火脆性不敏感。

4 措施及驗證

針對上述分析及試驗，將批產產品熱處理回火溫度控制在250～300℃范圍內，實際采用回火溫度為280℃，保溫3h，隨爐冷卻。熱處理后隨機抽取20件對其進行拉伸試驗，帶載保持72小時均未出現斷裂情況，消除了脆性斷裂的隱患，提高了可靠性。

5 結語

通過對緊固螺栓斷裂問題的故障樹建立、問題的理論分析及試驗驗證，說明了確定合理的回火溫度能夠有效控制回火脆性、消除脆性斷裂。