六角頭螺栓斷裂原因

王麗娜, 于永旺, 王順花, 楊 莉, 史 偉

(1.蘭州交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 蘭州 730070;2.蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司, 蘭州 730314;3.甘肅省機(jī)械裝備材料表征與安全評價工程研究中心, 蘭州 730314)

高強(qiáng)度螺栓是現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)性零件,螺栓斷裂往往導(dǎo)致十分嚴(yán)重的后果,所以對斷裂螺栓進(jìn)行深入分析,發(fā)現(xiàn)其中潛在的危險因素,是保證產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性的有效手段[1-4]。42CrMoA鋼是磷元素和硫元素含量較低的高級優(yōu)質(zhì)鋼,具有良好的綜合性能,常用于制造高強(qiáng)度螺栓[5]。在安裝與緊固某公司生產(chǎn)的六角頭螺栓時,螺栓頭下圓角處發(fā)生斷裂,該螺栓材料為42CrMoA鋼,制造工藝為:鋸料→平兩端→車坯徑→烘打→頭部倒角→調(diào)質(zhì)(按10.9級,淬火溫度為820 ℃,加熱時間為100 min,回火溫度為560 ℃,回火時間為170 min)→校直→滾絲→無損檢測→噴涂(主要為鋅鋁鉻涂層)→檢驗包裝。筆者采用一系列理化檢驗方法分析該六角頭螺栓斷裂的原因,以防止該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

觀察六角頭螺栓斷口,發(fā)現(xiàn)斷裂發(fā)生在螺栓頭下圓角處,斷裂六角頭螺栓宏觀形貌如圖1所示。整個斷面分為2個區(qū)域:A區(qū)域和B區(qū)域(見圖2)。由圖2可知:A區(qū)域覆蓋有一層較厚的銹漬,約占整個斷面的2/3,該區(qū)域還存在一處未生銹的亮白區(qū),亮白區(qū)相對周邊稍有凹陷且緊靠螺栓頭部圓角處,最深處距離圓角邊緣約2.0 mm[見圖2a)];將銹漬清洗后發(fā)現(xiàn),原生銹部分?jǐn)嗫谳^為平整,具有脆性斷口的特征,斷口人字紋向表面匯聚,該處為發(fā)生斷裂的裂紋源區(qū)[見圖2b)];B區(qū)域斷口新鮮,為安裝時瞬時斷裂形成,斷口邊緣具有明顯的塑性變形和金屬光澤的剪切唇。

圖1 斷裂六角頭螺栓宏觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

對同批次螺栓頭下圓角進(jìn)行測量,測得圓角半徑為2.63 mm,參考制造規(guī)程,試樣螺栓頭下圓角半徑測量值符合要求。

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂面的遠(yuǎn)離裂紋源區(qū)取樣并對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知:螺栓材料符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMoA鋼的要求,同時其H元素含量極低,可排除氫致延遲裂紋導(dǎo)致開裂的可能性。

表1 斷裂螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 低倍檢驗

在螺桿斷裂面附近的橫截面截取試樣,并對其進(jìn)行檢驗,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1979—2001 《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》、GB/T 226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》進(jìn)行檢驗,未發(fā)現(xiàn)殘余縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點(diǎn)、軸間晶間裂紋等缺陷,結(jié)果如圖3所示。低倍組織評級結(jié)果如表2所示。由表2可知:結(jié)果均滿足GB/T 3077—2015的要求。

圖3 斷裂螺栓的低倍檢驗結(jié)果

表2 斷裂螺栓的低倍組織評級結(jié)果 級

1.4 金相檢驗

沿六角頭螺栓斷口裂紋源位置的縱截面制取試樣,在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣,結(jié)果如圖4所示。遠(yuǎn)離斷口處非金屬夾雜評級結(jié)果分別為A0.0、 B0.0、C0.0、D0.5、Ds0.0級[見圖4a)],斷口處非金屬夾雜物評級結(jié)果分別為A0.0、B0.0、C0.0、D0.5、Ds0.0級[見圖4b)]。對試樣進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光,再采用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸乙醇溶液腐蝕,制成金相試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,可見六角頭螺栓的顯微組織為回火索氏體(見圖5),奧氏體晶粒度為8.0級。對斷裂源區(qū)表面進(jìn)行脫碳檢驗,未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象(見圖6)。金相檢驗結(jié)果顯示斷裂螺栓沒有異常組織、晶粒粗大、未熔鐵素體、魏氏體及脫碳層,說明在螺栓的熱處理過程中,不存在過熱、欠熱、脫碳及氧化等異常現(xiàn)象。

圖4 遠(yuǎn)離斷口及斷口處非金屬夾雜物微觀形貌

圖5 螺栓斷裂面和心部顯微組織形貌

圖6 斷裂源區(qū)表面顯微組織形貌

1.5 力學(xué)性能測試

在螺桿的螺紋部位以上取樣,并對其進(jìn)行力學(xué)性能測試,參考Q/HZJ 010001—2019 《中國海裝企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對42CrMoA鋼的要求進(jìn)行對比分析。取樣后分別按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》、GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗方法》、GB/T 229—2007 《金屬材料 夏比沖擊試驗方法》進(jìn)行硬度測試、拉伸試驗和沖擊試驗,結(jié)果如表3～5所示。由表3～5可知:斷裂螺栓的力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 斷裂螺栓的硬度測試結(jié)果

表4 斷裂螺栓的室溫拉伸試驗結(jié)果

表5 斷裂螺栓的沖擊試驗結(jié)果 J

1.6 掃描電鏡(SEM)和能譜分析

利用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:未清洗銹漬前,生銹部位與未生銹部位的裂紋走向不一致,說明斷裂分兩次形成;清洗銹漬后,A區(qū)域呈匯聚的河流花紋走向,并最終匯聚到裂紋源區(qū),而該區(qū)域正是斷口宏觀亮白區(qū),河流花樣在亮白區(qū)邊緣中斷,裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口平齊、具有脆性斷裂特征;B區(qū)域斷口上存在較多的扁平韌窩,具有韌性斷口特征。

圖7 斷裂螺栓斷口SEM形貌

首先對銹漬清洗前斷口表面進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知:斷口A區(qū)域表面為鐵銹,主要成分為O元素與Fe元素;生銹區(qū)域的亮白區(qū)中含有較多Al、Zn、O等元素,這與六角頭螺栓達(dá)克羅處理時噴涂液中的元素一致;清洗銹漬后亮白區(qū)的化學(xué)成分主要為O元素與Fe元素;B區(qū)域未發(fā)現(xiàn)Al、Zn、O等元素。

圖8 斷口表面能譜分析結(jié)果

2 綜合分析

六角頭螺栓分兩次斷裂,生銹區(qū)域的開裂在安裝前就已發(fā)生。生銹區(qū)域斷口上存在近圓形亮白區(qū),且有向下凹陷的趨勢,應(yīng)為螺栓冶金缺陷,清洗后亮白區(qū)呈黑灰色,具有氧化物特征;生銹斷口清洗后表面平整,具有脆性斷裂特征,符合淬火裂紋特征;新鮮斷口則是在扭矩扳手的作用下,無法承受外加應(yīng)力產(chǎn)生的[6-7]。

斷裂螺栓的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。低倍檢驗未發(fā)現(xiàn)殘余縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點(diǎn)、軸間晶間裂紋等缺陷。金相檢驗未發(fā)現(xiàn)異常組織、晶粒粗大、未熔鐵素體、魏氏體及脫碳層,說明在熱處理過程中不存在過熱、欠熱、脫碳及氧化現(xiàn)象。力學(xué)性能測試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

近圓形亮白區(qū)為裂紋源,裂紋沿亮白區(qū)邊緣向四周擴(kuò)展,形成A區(qū)域,A區(qū)域在放置過程中生銹,清洗斷口后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域具有脆性斷口特征;B區(qū)域斷口上存在較多的韌窩,使螺栓在安裝過程中受力而斷裂。

A區(qū)域的亮白區(qū)上存在較多的Al、Zn、O等元素,這些元素與六角頭螺栓達(dá)克羅處理過程中噴涂液含有的主要元素一致,說明在進(jìn)行達(dá)克羅處理前,亮白區(qū)的凹坑缺陷已存在,且該處經(jīng)清洗后存在氧化物,凹坑缺陷在調(diào)質(zhì)之前就存在,為材料冶金缺陷。

綜上所述,六角頭螺栓斷裂分兩次完成:A區(qū)域是由于頭部拐角處本來就存在冶金缺陷,在淬火時,亮白區(qū)的冶金缺陷邊緣作為裂紋源發(fā)生了淬火開裂,即形成淬火裂紋,經(jīng)達(dá)克羅處理后,其耐腐蝕性能大幅提升[8],由于缺陷處為凹坑,故噴涂液停留在凹坑內(nèi),該處未生銹;B區(qū)域則是在安裝過程中,由于螺栓已存在裂紋,故在螺栓緊固時,螺栓頭部連接部分無法承受外加應(yīng)力并最終斷裂。

3 結(jié)論及建議

六角頭螺栓頭下圓角半徑處存在缺陷,導(dǎo)致淬火過程中螺栓產(chǎn)生淬火裂紋。在無損檢測時,未發(fā)現(xiàn)該裂紋,在安裝過程中,螺栓因無法承受預(yù)緊載荷而發(fā)生過載斷裂。建議加強(qiáng)螺栓的無損檢測工作,優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程,避免該類事件再次發(fā)生。