45K冷鐓鋼螺栓裝配過程斷裂失效分析

■ 周斌，金林奎，黃持偉，楊宇飛

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45K冷鐓鋼常用于冷鐓加工制造緊固件、連接件，如螺栓、螺母等。本文對六角凸緣螺栓斷裂失效件的化學成分、表面硬度、斷口形貌及顯微組織進行理化檢測，分析和推斷螺栓失效件斷裂的原因以及斷裂形成機理。

1.宏觀檢查

該螺栓失效件材料采用45K冷鐓鋼加工制造，螺栓型號為M8×40mm。加工工藝流程為冷鐓→調質→搓絲→酸洗→鍍鋅。該六角凸緣螺栓在裝配過程中發生斷裂，斷裂部位位于螺桿中部的螺母鎖緊位置（見圖1a）。六角凸緣螺栓零件由六角凸緣和螺桿構成（見圖1b），該螺栓斷裂失效件為客戶提供，斷裂件六角凸緣端已被截取，斷裂件螺桿端也已剖開為兩半，且兩截斷裂件外觀色澤偏差較大，右側斷裂件的剖面是線切割加工形成的（見圖1c）。

2.結果與討論

（1）化學成分分析 從該螺栓斷裂件上截取試樣，采用ARL8860火花放電直讀光譜儀進行化學成分檢測。依據標準JIS G3507－1－2010《冷鐓用碳素鋼第1部分：盤條》進行判定，化學成分符合規范要求（見表1）。

圖1 螺栓成品及斷裂件

（2）表面硬度檢測 從該螺栓斷裂件上截取試樣，采用Qness Q150數顯洛氏硬度計進行表面硬度檢測。檢測結果表明，實測硬度值符合客戶規范要求（見表2）。

（3）掃描電鏡檢測 采用SIGMA 300掃描電子顯微鏡，對螺栓失效件斷口進行檢測。六角凸緣端斷口為圓錐形凸起，螺桿端斷口為圓錐形凹坑。對六角突緣端圓錐凸起斷口進行檢測，圖2a所示左側為六角突緣端斷口的螺牙齒頂外緣，右側為斷口中心凸起圓錐面。距螺桿螺牙底槽部位存在周向開裂的裂紋，裂紋呈多條平行條紋，表明材料表面強度極低。圖2a中紅框區域的倍率經放大，螺牙底槽裂紋顯示多源臺階的應力開裂特征。該處存在應力集中現象，而且材料表面強度低，因而存在多條多源臺階裂紋源的開裂特征形貌（見圖2b），由此推斷螺牙底槽部位屬于斷口的斷裂起始區。

斷裂起始區斷口呈現細小等軸韌窩特征形貌（見圖3a），表明材料基體組織韌性較好。靠近圓錐形凸起尖端的斷裂終斷區，斷口仍以細小等軸韌窩為主，同時存在較多量撕裂棱及變形韌窩（見圖3b），該處為斷口終斷區快速擴展特征。

（4）金相檢測分析 采用Axio Observer 7m金相顯微鏡，對螺栓斷裂件基體組織進行金相檢測。試樣未經腐蝕劑浸蝕時，螺牙側面明顯可見不同形態的表面裂紋，表面裂紋的縱深度及垂直深度大多在60～160μm。無論是彎曲裂紋還是分叉裂紋，裂紋的尾部都呈圓鈍狀（見圖4a～4d），顯示擠壓變形的折疊裂紋特征形貌。

金相顯微鏡檢測，螺桿上幾乎每個螺牙側面都存在表面折疊裂紋。螺牙底部凹槽由圓角過渡，但過渡圓角的R半徑較小（見圖5a）。經測量，螺牙底槽R角半徑為0.18mm，螺牙底槽R角半徑越小，對應的應力集中越大。圖示螺牙表層覆蓋一層亮灰色的鍍鋅層，經測量該處鍍鋅層厚度為9.62μm（見圖5b）。

經腐蝕劑浸蝕后檢測，有些螺牙側面及底槽都存在表面折疊裂紋，同時螺牙表層呈現亮黃色（見圖6a、6b），螺牙表層組織存在差異。圖片經放大，表面折疊裂紋縫隙兩側存在明顯的脫碳層（見圖6c、6d）。螺栓在冷鐓過程中產生折疊裂紋，在調質處理的加熱過程中發生氧化脫碳，后期搓絲加工過程使折疊裂紋進一步擠壓成細長的裂紋。

表1 失效件樣品化學成分測試結果 (質量分數) （%）

表2 失效件樣品表面硬度測試結果 （HRC）

圖2 螺牙底槽形貌

圖3 螺栓斷口形貌

圖4 螺牙表面裂紋

螺牙側面發現開口較大的表面折疊裂紋，裂紋間隙兩側的表面脫碳現象更為明顯。在表面折疊裂紋的周圍呈現變形的纖維狀組織，表明搓絲加工之前螺栓表面已存在較大的凹坑，在搓絲過程中經擠壓變形而形成折疊裂紋（見圖7a）。在表面折疊裂紋的開口處存在兩處圓弧狀的凹坑，這是表面腐蝕的特征形貌，表明在鍍鋅處理之前，螺栓零件經過酸洗處理，由于酸洗處理時間較長，已經在表面形成較深的腐蝕凹坑（見圖7b）。

在螺牙底槽部位存在鍥形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基體呈現嚴重變形的纖維狀組織。由于搓絲加工產生的拉應力已經大于材料的抗拉強度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑（見圖8a）。經測量，搓絲擠壓加工的變形層深度達120μm。在螺牙底槽存在較多量的圓弧狀腐蝕凹坑（見圖8b），表明螺栓在酸洗處理過程中，酸洗處理時間過長。

螺桿端斷裂件的開裂起始區，首先形成于螺牙底槽部位，然后向螺桿中心部位及縱向繼續擴展至最終斷裂（見圖9a、9b）。螺桿端斷裂件斷口呈圓錐形凹槽，斷裂終斷區位于螺桿心部，終斷區的斷口剖面呈現大小不等的凹坑，這些凹坑對應于六角凸緣端斷口終斷區的韌窩特征形貌（見圖9c、9d）。

圖5 螺牙表面形貌

圖6 螺牙表面裂紋

圖7 螺牙表面裂紋（500×）

圖8 螺牙底槽形貌

為了準確測量螺栓斷裂件的表面脫碳層，在螺栓光桿部位徑向截取試樣進行檢測。金相顯微鏡檢測，螺栓光桿部位的表層存在較深的白亮色脫碳層（見圖10a～10b），依據國家標準GB/T224—2008《鋼的脫碳層深度測定法》進行測定，表面脫碳層深度達0.11mm。在調質處理過程中，熱處理爐內保護氣氛不規范，零件因高溫氧化脫碳造成較嚴重的表面脫碳層，特別是外表層全脫碳部位幾乎全為鐵素體組織。由于表面脫碳層內的碳含量降低，造成表面強度降低。采用Q10M數顯維氏硬度計，對螺栓外表層全脫碳區域進行硬度測試，實測硬度值為85HV0.2，依據國家標準GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》進行換算，對應的抗拉強度值約為270MPa。螺栓規范要求的硬度值為22～32HRC，依據國家標準GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》進行換算，對應的抗拉強度值為813～1039MPa。因而可以推斷，表面脫碳層的抗拉強度只有螺栓材料抗拉強度的1/3～1/4。該表面脫碳層缺陷組織顯著降低，材料表面強度低，這是造成螺栓斷裂的主要原因。

六角凸緣部位以及螺栓桿部的基體顯微組織，都為細針狀馬氏體位向的回火索氏體＋少量鐵素體（見圖11a、11b）。依據國家標準GB/T13320—2007《鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》第三評級圖進行評定，調質處理的顯微組織評定為2級，標準要求1～4級合格，該顯微組織屬于合格級別。

（5）金相試樣掃描電鏡測試 對金相組織進行掃描電鏡檢測，在螺桿螺牙表面覆蓋一層深灰色鍍鋅層（見圖12a）。掃描電鏡倍率進一步放大，表面鍍鋅層顯示層狀分布的多層結晶體，表面鍍鋅層與螺牙表面基體連接的過渡層結合良好（見圖12b）。經測量，該處表面鍍鋅層厚度為9.36μm。

圖9 螺桿端斷口形貌

圖10 表面脫碳層

圖11 螺栓顯微組織

螺桿螺牙凹槽表面同樣覆蓋一層鍍鋅層，表面鍍鋅層底部的螺牙凹槽表面存在多條折疊裂紋（見圖13a）。掃描電鏡倍率進一步放大，折疊裂紋間隙兩側由若干個圓弧狀凹坑構成，表明酸洗過程中的表面腐蝕較為嚴重。由于凹槽部位表面鍍鋅層沉積更為突出，實測表面鍍鋅層深度達10.76μm（見圖13b）。

經掃描電鏡檢測，六角凸緣部位及螺栓桿部的顯微組織，都為細針狀馬氏體位向的回火索氏體＋少量未溶鐵素體。回火索氏體由顆粒狀碳化物構成的針狀及條狀組織，未溶鐵素體晶粒內只有極少量的顆粒狀碳化物（見圖14a、14b）。檢測結果顯示，螺栓基體顯微組織正常。

（6）金相試樣微區能譜測試 對螺桿螺牙部位的表面鍍鋅層及基體組織進行微區能譜測試，測試區如圖所示，譜圖1區為表面鍍鋅層（見圖15a），譜圖2區為基體組織（見圖15b）。能譜測試結果表明，譜圖1區域的表面鍍鋅層含有Zn、Mg、Fe等合金元素，其中Zn含量達92.47%，能譜測試結果顯示，螺牙表層屬于含有少量Mg、Fe合金的表面鍍鋅層（見圖15c）。譜圖2區域的基體組織含有C、Mn、Fe等合金元素，成分顯示與45K冷鐓鋼材料相符（見表3）。由于試樣測試面經過硝酸酒精浸蝕，表面殘留較多的C元素，因而能譜測試結果含碳量偏高（見圖15d）。

圖12 表面鍍鋅層

圖13 螺牙底槽形貌

圖14 螺栓顯微組織

圖15 微區能譜測試

綜上所述，六角凸緣端斷口為圓錐形凸起，螺桿端斷口為圓錐形凹槽。對六角凸緣端圓錐凸起斷口進行檢測，在螺牙底槽部位存在多條周向開裂的裂紋。裂紋呈多條平行條紋，表明材料表面強度極低，同時裂紋處的多源臺階顯示應力開裂特征。經測量螺牙底槽R角半徑為0.18mm，螺牙底槽R角半徑越小，應力集中越大。該處存在應力集中現象，而且材料表面強度低。螺牙底槽部位存在多源臺階的裂紋源開裂特征形貌，由此推斷該部位屬于斷口的斷裂起始區。

螺牙側面明顯可見不同形態的表面裂紋，無論是彎曲裂紋還是分叉裂紋，裂紋的尾部都呈圓鈍狀，顯示擠壓變形的折疊裂紋特征，有些螺牙側面及底槽都存在表面折疊裂紋。在表面折疊裂紋的開口處存在圓弧狀的凹坑，這是表面腐蝕的特征形貌，表明在鍍鋅處理之前，螺栓經過酸洗處理，且酸洗處理時間較長，已經在表面形成較深的腐蝕凹坑。在螺牙底槽部位存在楔形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基體呈現嚴重變形的纖維狀組織。由于搓絲加工產生的拉應力已經大于材料的抗拉強度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑。

螺栓表面存在較嚴重的表面脫碳層，調質處理過程中熱處理爐內保護氣氛不規范，因高溫氧化脫碳造成螺栓零件表面形成較嚴重的脫碳層，經測量表面脫碳層深度達0.11mm。該表面脫碳層缺陷組織顯著降低材料的表面強度，這是造成螺栓斷裂的主要原因。

3.結論及改進建議

該六角凸緣螺栓斷裂的主要原因，是由于調質處理過程中熱處理爐內保護氣氛不規范，零件因高溫氧化脫碳造成較嚴重的表面脫碳層，顯著降低了材料的表面強度。螺栓裝配過程中形成拉應力，在應力集中最大的螺牙底槽產生多條平行裂紋。開裂首先形成于螺牙底槽部位，然后向螺桿心部及縱向繼續擴展至最終斷裂。

冷鐓及搓絲過程形成的折疊裂紋及撕裂凹坑，以及酸洗過程產生的腐蝕凹坑，顯著降低了螺栓的加工及使用性能。特別是螺牙底槽部位的折疊裂紋、撕裂凹坑及腐蝕凹坑，加速螺栓的斷裂進程。

螺栓在冷鐓加工以及搓絲加工過程中，應保證材料的冷加工塑性變形能力，同時控制好一次變形量和變形速率。零件在調質處理過程中，必須嚴格執行熱加工工藝，防止零件表面氧化脫碳，增加材料表面強度及使用性能。在鍍鋅處理之前的酸洗過程中，必須控制好酸洗液濃度及酸洗時間，進一步降低零件表面的腐蝕程度。

表3 失效件樣品微區能譜測試結果（質量分數） （%）