插片壁虎膨脹釘沖孔掉頭原因分析

陳蔣華， 朱文凱， 王小忠

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司， 江蘇 常州 213011)

引 言

插片壁虎是一種打入式膨脹釘，其作用是讓各種被固定物體在垂直平面上面牢靠地連結(jié)、鎖緊、固定；廣泛使用于在墻體等基礎(chǔ)件上面安裝各種設(shè)備及門窗等物品。插片壁虎由膨脹釘與插片組合而成，安裝時(shí)需要提前打好合適的孔，插片壁虎放入孔中，將插片壁虎上的插片用錘擊打入即可將插片壁虎固定到墻壁或基礎(chǔ)件上面。采用ML08Al鋼Φ6.5 mm盤條生產(chǎn)插片壁虎膨脹釘?shù)墓に嚵鞒蹋罕P條→酸洗磷化→冷拔至Φ5.6 mm→下料，冷鐓帽頭→桿部沖剪→帽頭沖孔→鍍鋅。插片壁虎膨脹釘帽頭部位在沖孔過程中常發(fā)生開裂、掉頭的現(xiàn)象。

1 理化分析

1.1 宏觀斷口

插片壁虎宏觀形貌如圖1,2所示。插片壁虎的膨脹釘在其端部帽頭沖孔時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂發(fā)生在膨脹釘帽頭與桿部交界處，斷口平整，垂直于軸向，未見明顯塑性變形痕跡，為脆性斷裂斷口。由斷口中放射性擴(kuò)展棱收斂處可見斷裂源產(chǎn)生于內(nèi)部，相當(dāng)于1/3半徑處，再由此向四周邊緣擴(kuò)展，直致裂穿整個(gè)截面，如圖3所示。

圖1 插片壁虎宏觀形貌

圖2 插片壁虎膨脹釘宏觀形貌

圖3 膨脹釘斷裂及斷口形貌

1.2 斷口組織

經(jīng)掃描電鏡觀察，在圖4中可見膨脹釘帽頭斷口中斷裂源位于內(nèi)部，斷裂源處未發(fā)現(xiàn)有夾渣等冶金缺陷，斷口微觀特征為一種特殊的沿晶斷裂形貌；這種沿晶斷裂形貌沒有呈現(xiàn)常見的多晶體立體感形貌，而是由于斷裂部位因極度變形將晶粒拉長，晶界呈扁平狀,斷裂擴(kuò)展裂紋沿拉長扁平的晶界分離，使其沿晶斷裂形貌呈現(xiàn)在起伏小的平面上[1]。

圖4 膨脹釘帽頭斷口微觀形貌

1.3 金相組織

將未沖孔膨脹釘在半徑處沿縱向剖開，其帽頭與桿部交界處中部可見因受冷鐓擠壓而呈橫向流線，形成集中變形帶，組織產(chǎn)生了嚴(yán)重變形，由于極度變形使晶粒被拉長，晶界呈扁平狀，如圖5，6所示。將沖孔斷裂的膨脹釘帽頭在半徑處沿縱向剖開，可見斷裂發(fā)生在集中變形帶處，斷裂裂紋沿著集中變形帶的方向擴(kuò)展，如圖7，8所示。沖孔斷裂的膨脹釘桿部縱向組織為等軸晶的鐵素體和少量珠光體，但有少量三次滲碳體沿晶界分布，如圖9，10所示。

圖5 未沖孔膨脹釘縱向剖面，帽頭與桿部交界處中部可見橫向集中變形帶(箭頭指處)

圖6 帽頭與桿部交界處中部的橫向集中變形帶集中變形帶的晶粒拉長，晶界呈扁平狀

圖7 沖孔斷裂的膨脹釘帽頭縱向剖面，斷裂面正好處于集中變形帶

圖8 斷裂面邊緣放大,斷裂裂紋沿拉長的變形帶擴(kuò)展

圖9 斷裂膨脹釘桿部組織

圖10 前圖放大，有少量三次滲碳體沿晶界分布

2 分析與討論

斷口分析表明，斷裂發(fā)生在膨脹釘帽頭與桿部交界處，斷口平整，垂直于軸向，未見明顯塑性變形痕跡，為脆性斷裂斷口。由斷口中放射性擴(kuò)展棱收斂處可見斷裂源產(chǎn)生于內(nèi)部，相當(dāng)于1/3半徑處，再由此向四周邊緣擴(kuò)展，直致裂穿整個(gè)截面。通常鉚釘及螺栓在帽頭與桿部交界處產(chǎn)生掉頭的原因與其R圓角處存在折疊或材料組織缺陷等因素有關(guān)[2-4]。但觀察了幾十個(gè)膨脹釘斷口，發(fā)現(xiàn)都斷在帽頭與桿部交界處，斷裂源均在約1/3半徑處的內(nèi)部，并且斷裂源處未發(fā)現(xiàn)有夾渣等冶金缺陷；這些特征信息說明，膨脹釘在沖孔時(shí)斷裂不是由表面折疊及粗大夾渣引起的。

膨脹釘斷口微觀特征為一種特殊的沿晶斷裂形貌，這種沿晶斷裂形貌沒有呈現(xiàn)常見的多晶體立體感形貌，而是由于斷裂部位因極度變形使晶粒拉長呈扁平狀, 晶界也拉長呈扁平狀，斷裂擴(kuò)展裂紋沿拉長扁平的晶界分離，使其沿晶斷裂形貌呈現(xiàn)在起伏小的平面上。可見當(dāng)變形量過大，使晶粒拉長呈扁平狀時(shí)，其晶界結(jié)合強(qiáng)度很弱。

膨脹釘帽頭與桿部交界處中心區(qū)域組織可見因受冷鐓擠壓而轉(zhuǎn)折形成的橫向流線，因極度變形，使橫向流線區(qū)域形成了橫向集中變形帶，顯微組織產(chǎn)生了嚴(yán)重變形，晶粒被拉長呈扁平狀；斷裂就發(fā)生在集中變形帶處，斷裂裂紋是沿著集中變形帶方向擴(kuò)展。集中變形帶的產(chǎn)生反映了膨脹釘帽頭冷鐓時(shí)初鐓過量，初鐓形成的組織硬化導(dǎo)致后面第2鐓時(shí)對材料流變不利，造成帽頭中心區(qū)域組織嚴(yán)重變形, 組織應(yīng)力過大, 晶界結(jié)合強(qiáng)度減弱[5-6]。

膨脹釘帽頭冷鐓成形時(shí)，由于頭部在桿長方向上收到壓縮，中心區(qū)域組織可見因受冷鐓擠壓而轉(zhuǎn)折形成的橫向流線，形成了橫向集中變形帶的纖維組織，使力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，沿著流線的方向具有較高的力學(xué)性能，垂直于集中變形帶流線方向的性能非常低，而沖孔時(shí)的沖擊應(yīng)力正好處于集中變形帶的垂直方向。同時(shí)，集中變形帶區(qū)域的組織應(yīng)力過大，晶粒被壓成扁平狀，晶界結(jié)合強(qiáng)度很弱；而沿晶界分布的少量三次滲碳體將促使在集中變形帶中發(fā)生層間位錯(cuò)及微裂紋。在膨脹釘帽頭沖孔時(shí)的外力作用下，首先在這種有微裂紋的集中變形帶上發(fā)生開裂，隨后向四周邊緣擴(kuò)展，直致裂穿整個(gè)截面，最終導(dǎo)致膨脹釘產(chǎn)生掉頭現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

插片壁虎膨脹釘帽頭在沖孔時(shí)產(chǎn)生掉頭現(xiàn)象，是由于膨脹釘帽頭部位冷鐓時(shí)初鐓變形量較大，在帽頭中心區(qū)域形成了橫向集中變形帶；集中變形帶區(qū)域的組織應(yīng)力過大，晶粒被壓成扁平狀，晶界結(jié)合強(qiáng)度很弱，容易導(dǎo)致帽頭沖孔過程中發(fā)生開裂、掉頭的現(xiàn)象。膨脹釘材料中存在的三次滲碳體促進(jìn)了集中變形帶中層間位錯(cuò)及微裂紋的發(fā)生。