載重車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗用高強螺栓的斷裂分析

沙明星

摘要：載重車輪下線后一般需要進行動態(tài)彎曲疲勞試驗。但連接車輪和彎曲疲勞試驗機加載軸所使用的高強度螺栓在試驗過程中出現(xiàn)了早期斷裂的現(xiàn)象。通過宏觀檢驗、斷口分析、硬度測試和金相分析等方法對失效螺栓進行分析，確定了其斷裂的主要原因為熱處理不良、內(nèi)部組織不良、外表面脆性大和循環(huán)作用力大于疲勞許用應(yīng)力。通過對高強螺栓原材料的檢驗，并調(diào)整熱處理工藝，在后續(xù)的試驗過程中未出現(xiàn)螺栓斷裂的情況。

關(guān)鍵詞：高強螺栓;調(diào)質(zhì);斷裂;循環(huán)作用力

中圖分類號：TG 142.1文獻標志碼：A

一批規(guī)格為M22×1.5公稱長度1=60mm，材質(zhì)為40CrMo的10.9級高強螺栓，在動態(tài)彎曲疲勞試驗中出現(xiàn)早期斷裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗機多次因螺栓斷裂產(chǎn)生偏移量超差停機。在操作過程中，試驗人員嚴格按照GB/T3098.1-2000《緊固件機械性能一螺栓、螺釘和螺柱》和GB/T5909-2009《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》的要求，進行螺栓擰緊力矩的加載，彎曲試驗力矩也按照上述標準施加。為了查明螺栓斷裂的原因，本文采用宏觀檢驗、斷口分析、硬度測試和金相分析等方法對失效螺栓進行分析。此批螺栓的技術(shù)要求是：整體淬火維氏硬度為241～286，調(diào)質(zhì)處理洛氏硬度為45～50。高強螺栓在使用過程中受到循環(huán)應(yīng)力的作用。

1理化檢驗

1.1宏觀檢驗

圖1為螺栓斷口宏觀組織照片，可以看出，斷口較平齊，斷裂源位于內(nèi)部偏中心處。圖1中部呈現(xiàn)放射性擴展區(qū)，邊緣有一圈面積很小的部分與中間部分明顯分離，沒有明顯塑性變形，兩節(jié)螺栓合體沒有彎曲征兆，外表面沒有呈現(xiàn)受拉伸應(yīng)力的剪切唇，斷面呈脆性斷裂形貌。

1.2化學(xué)成分分析

從斷裂螺栓的外表面、放射源處和內(nèi)部中心處取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1中的結(jié)果得出，螺栓化學(xué)成分符合GB/T3098.1-2000《緊固件機械性能一螺栓、螺釘和螺柱》的要求，但碳元素分布不均勻。

1.3洛氏硬度測試

對已斷裂螺栓的表面及內(nèi)部進行硬度測試，螺栓表面洛氏硬度為41～44，放射性擴展源處的洛氏硬度為52～53。表面硬度符合技術(shù)要求，但螺栓內(nèi)部硬度存在超標問題。

1.4金相分析

依據(jù)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，截取螺栓斷口界面進行金相檢驗。結(jié)果顯示，顯微組織大部分是上貝氏體和少量屈氏體（見圖2）。放射源處存在較多的氧化物夾雜，顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體和淬火馬氏體（見圖3）。在試樣斷口處邊緣和非斷口處取樣進行分析，觀察到的顯微組織基本一致，但是局部夾雜較輕，分別見圖4和圖5。

2分析與討論

從斷口的宏觀組織、硬度和金相分析結(jié)果看出，螺栓內(nèi)部存在的非金屬夾雜物是該高強螺栓發(fā)生早期斷裂的主要原因。夾雜物來源一般為金屬熔煉時與外界物質(zhì)接觸發(fā)生作用產(chǎn)生的，大多是與爐渣接觸。這類夾雜物的特征是外形不規(guī)則，尺寸較大，分布沒有規(guī)律。

馬氏體組織僅僅在夾雜物聚積處出現(xiàn)，可以推斷夾雜物存在引起了馬氏體組織異常。高強螺栓淬火組織的均勻性非常重要，一些熱處理廠家在淬火時，沒有獲得最大淬硬性，只是通過降低回火溫度來保證螺栓的最低抗拉強度，來掩飾不良熱處理質(zhì)量。因此應(yīng)嚴格按照GB/T3098.1-2000《緊固件機械性能一螺栓、螺釘和螺柱》中規(guī)定的螺栓回火前要獲得約90%的馬氏體組織。

上貝氏體大致平行于鐵素體板條，在鐵素體板條間存在細長的碳化物，使得鐵素體條容易斷裂，導(dǎo)致金屬韌性差。因此在熱處理過程中不希望有上貝氏體出現(xiàn)。

綜上所述，合金熔煉后內(nèi)部含有較多夾雜物，使高強螺栓內(nèi)部組織疏松和成分偏析，阻斷了金屬的連續(xù)性。同時淬火和調(diào)質(zhì)工藝不良，使得不良組織增加，降低了高強螺栓的韌性和塑性，也增加了組織的內(nèi)應(yīng)力，使得高強螺栓在外界循環(huán)應(yīng)力的作用下出現(xiàn)早期失效，導(dǎo)致最后的斷裂。

3結(jié)論

由以上分析得出，高強螺栓斷裂主要是因為內(nèi)部存在夾雜物和熱處理工藝控制不良。在沒有超載的情況下，螺栓內(nèi)部組織缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中萌生裂紋，同時非正常的調(diào)質(zhì)組織也增加了螺栓的脆性，導(dǎo)致螺栓的早期斷裂。

建議原材料嚴格依據(jù)GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》生產(chǎn)，在金屬熔煉時控制爐渣，提高鋼材的質(zhì)量，生產(chǎn)加工前嚴格進行理化試驗抽樣檢驗，包括化學(xué)成分及力學(xué)性能檢查，不合格產(chǎn)品嚴禁進入加工階段。制定合適的調(diào)質(zhì)工藝，將淬火溫度控制在880℃，此時淬火韌性最好，可以油冷或采用40～55℃的溫水冷卻，避免冷水冷卻，從而保證螺栓的質(zhì)量。