45鋼雙頭螺柱斷裂失效分析

顧培育，程全士，竇建偉，許永春，張欽瑩，李曉峰

1.南京鋪鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司 江蘇南京 211800

2.中國航天科工集團公司標準緊固件研究檢測中心 河南信陽 464000

3.河南航天精工制造有限公司 河南信陽 464000

1 序言

45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的強度和硬度，廣泛應(yīng)用于機械行業(yè)制作承受負荷較大的小截面調(diào)質(zhì)件和應(yīng)力較小的大型正火零件，以及對心部強度要求不高的表面淬火零件等。本文主要研究了某45鋼M16雙頭螺柱在服役過程中出現(xiàn)斷裂，并對斷裂機理進行了研究分析。具體斷裂形貌如圖1所示。

圖1 斷裂形貌

斷裂位置位于雙頭螺柱螺紋部位，斷面較為平整，未見腐蝕色彩，裂紋源區(qū)位于螺紋牙底部位，為單一裂紋源；擴展區(qū)約占整個斷面的3/4，說明該斷裂雙頭螺柱所受載荷較低；瞬斷區(qū)與斷面呈45°夾角。

2 分析過程及結(jié)果

2.1 斷口分析

對斷裂的45鋼雙頭螺柱進行掃描電鏡微觀斷口分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 斷口微觀形貌

裂紋起源于螺紋牙底，斷口較為平齊，未見明顯塑性變形，未見腐蝕色彩，斷面呈灰色特征。斷口源區(qū)、擴展區(qū)呈疲勞特征；瞬斷區(qū)呈韌窩特征。

2.2 組織分析

對螺柱斷裂位置進行取樣，腐蝕劑選用4%硝酸酒精溶液，試樣制備依據(jù)GB/T 13298—2015進行，對制好的試樣進行金相分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 顯微組織

金相分析結(jié)果表明，表層未見脫碳現(xiàn)象，心部為未淬透組織，顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體+片層狀珠光體組織，表層為高溫回火組織，無脫碳現(xiàn)象；非金屬夾雜物主要為C類細系2級及DS類1.5級。

2.3 性能驗證

對拆卸下來的雙頭螺柱，進行破壞拉力和硬度分析，結(jié)果見表1、表2。

該斷裂件和拆卸下來的完好件，破壞拉力和硬度值均滿足8.8級螺栓硬度值要求，但硬度值存在不均勻現(xiàn)象，處于標準值下限。

表1 破壞拉力統(tǒng)計

表2 硬度統(tǒng)計 （HRC）

3 分析與討論

該斷裂件斷口為疲勞斷口，未見氧化腐蝕色彩，如圖4所示；顯微組織不均勻，心部為鐵素體+珠光體組織，表層為回火索氏體結(jié)構(gòu)，存在未淬透現(xiàn)象；螺紋牙側(cè)非承載面中徑以上存在折疊，牙根部位有折疊等不連續(xù)性缺陷；單件硬度值表層和心部相差較大，平均值處于標準值下限。

通過觀察斷裂雙頭螺柱外表面，裂紋源區(qū)相對的表面鍍層局部磨損較為嚴重；說明雙頭螺柱在使用過程中存在偏載現(xiàn)象，造成局部應(yīng)力集中。

圖4 裂紋源區(qū)側(cè)表面

4 結(jié)束語

綜上所述，該45鋼雙頭螺柱在服役過程中發(fā)生斷裂，斷裂形式為單源疲勞斷裂；淬火過程中存在未淬透現(xiàn)象，顯微組織為非單一均勻回火索氏體結(jié)構(gòu)；存在安裝偏載現(xiàn)象[1]，在后期服役中受力不均勻，造成螺紋根部局部應(yīng)力集中，受到反復(fù)交變載荷作用，致使裂紋萌生直至斷裂。

建議加強對45鋼雙頭螺柱熱處理工藝控制，GB/T 3098.1—2010規(guī)定對8.8級性能等級用的材料，應(yīng)有足夠的淬透性，以確保緊固件螺紋截面的心部在淬硬狀態(tài)，回火前獲得約90%的馬氏體組織，因此建議選用淬透性更好的合金結(jié)構(gòu)鋼，保持顯微組織的一致性；進一步對安裝過程進行控制，確保螺柱在服役過程中受力均勻。