10.9級高強度螺栓開裂原因分析

張云龍，王春濤

（浙江海洋大學，浙江 舟山 316022）

部分M56螺栓在經過淬火和回火之后，磁粉探傷時發現出現了裂紋。出現裂紋的螺栓材料為42CrMo鋼，該材料具有良好的淬透性和較高的強度和硬度，且無明顯的回火脆性，在調制處理后具有較高的韌性以及耐低溫沖擊的性能[1]，通常用來制作高強度的緊固件。本文分析了其失效的主要原因。

1 宏觀檢驗

這批螺栓失效形式主要表現為縱向開裂，裂紋從根部主要延伸至頂端，其宏觀圖如圖1所示。這批螺栓的淬火溫度為865℃,油淬，淬火油為重慶義揚機電設備有限公司生產的普通淬火油[2]，產品型號為PAG-IIIB，回火溫度為550℃。

圖1 出現裂紋的螺栓

2 測試結果分析

2.1 理化測試

將開裂的螺栓頭部進行線切割取樣，用德國斯派克直讀光譜儀分析其化學成分，結果如表1。結果顯示，螺栓的化學成分符合GB/T 3077—2015的要求。后對開裂螺栓的端面做硬度分析，采用洛氏硬度（HRC），其結果平均值為35.4，符合GB/T 230.1—2018的要求。對開裂螺栓做拉伸實驗，顯示斷裂螺栓的收縮率、伸長率、耐低溫沖擊功均低于正常值，如表2，不符合GB/T 228.1—2010、GB/T 229—2007的要求。

表1 螺栓的化學成分 %

表2 螺栓力學性能測試結果

2.2 金相組織

開裂的螺栓金相組織如下頁圖2所示，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕切割表面，風干后觀察，從金相檢驗的結果可以看出，開裂的螺栓金相組織為回火馬氏體，而未使用過的新螺栓為回火索氏體組織。圖2-1為未脫碳金相組織圖，圖2-2、2-3分別為斷頭處和裂紋處500×金相組織圖。從圖2-4中可以看出來在裂紋處兩側存在氧化物，且有細小的裂紋以沿晶分布。從圖2中裂紋的末端的特征可以看出，類似于淬火引起的裂紋。可以通過沿晶氧化以及裂紋之間的間隙，得出該材料的晶粒度等級為6級。

3 分析討論

圖2-1是螺栓未脫碳的金相組織，裂紋兩側無脫碳現象，說明在淬火加熱過程中螺栓并未開裂，即開裂的產生發生在淬火的過程中[3]，并且在回火過程裂紋兩側也有不同程度氧化現象。再根據裂紋沿晶分布的特征可以看出來，裂紋主要為淬火裂紋[4]。且螺栓的晶粒度未6級，晶粒度并不算粗大，由以上可知，裂紋并不是由于螺栓淬火溫度過高的因素。

圖2 開裂螺栓的金相組織

對螺栓的整個熱處理過程重新進行排查發現，螺栓在淬火的過程中擺放沒有規則，過于隨意，不利于淬火后的均勻冷卻，特別是容易導致局部變形區域蒸汽膜破裂的時間延長[5]。相關研究表明，正確的淬火方法為螺栓的大頭在前方，小頭在后方依次進入淬火油中。

在對螺栓的整個淬火冷卻系統進行檢查時發現，水冷管有泄露，有水進入到淬火油中，導致螺栓的冷卻強度得到明顯提高[6]。由于水和淬火油不相容，導致螺栓淬火冷卻的不均勻。此外，42CrMo材料鋼的淬透性良好，由圖3可以看出，隨著冷卻速度的不斷增加，可以看到貝氏體組織增加，鐵素體和珠光體組織逐漸

圖3 42CrMo鋼的CCT曲線

減少直至消失;當冷卻速度為1℃/s時，冷卻產物主要為貝氏體組織。當冷卻速度為5℃/s時，產物中有馬氏體生成，并在冷卻速度達到10℃/s時，產物完全轉變為馬氏體組織。油淬的臨界直徑為50 mm，而開裂的螺栓直徑大于該值[7]，所以螺栓的淬火應力較大。

由圖3可知，該螺栓金相組織回火索氏體大于90%，調制后狀態正常。42CrMo鋼在較寬的冷速范圍(冷卻速度＞10℃/s即可)可以得到馬氏體，主要是由于該合金中含有的Cr、Mo元素強烈提高了其淬透性所造成的。裂紋兩側無脫碳痕跡（圖2），為淬火開裂。引起開裂的原因為螺栓六角頭在熱成型過程中產生R角折疊，經熱處理后應力釋放導致其出現裂紋。