螺栓断裂分析报告(精品).doc

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1、高强度螺栓断裂分析曾振鹏（上海交通大学高温材料及高温测试教冇部重点实验室，上海200030）摘要:采用断口分析、金相检验和硬度测定等方法，对高强度螺栓断裂原因进行了分析。断口分析结果表明，断口平坦，呈放射状花样，微观形态主要为准解理花样，表明螺栓的断裂是脆性断裂；同时发现，在断口附近还存在横向内裂纹，内裂纹的断口形态与断裂断口一样。金相分析表明，材料棒屮存在严重的屮心碳偏析，而中心碳偏析是引起断裂的主要原因。关键词：高强度螺栓；准解理；横向内裂纹；屮心碳偏析某厂生产的一批规格为M30X160mm的高强度大六角头螺栓，在进行验收试验时发生断

2、裂。螺栓材料为35CrMoA,采用常规工艺生产，硬度要求为：35〜39HRC。1检验1.1材料的化学成分用VD25H读光谱仪进行了材料化学成分分析，分析结果（质量分数）列于表1。从表1可以看出，材料的化学成分符合标准要求。表1材料化学成分元累C$1MnMoCrpSCuNi含st0380.260.690.231.000.01200100.)020.059标准戏分⑴032-0400.17-0.370.40-0.700.15-0.25080-1.10<002500025725<0.30...vV1.2硬度测定便度测定结果列于表2。由表可见，螺栓

3、材料便度虽符合技术要求，但已接近上限。表2螺栓材料硬度测定结果HRC1■3技术要求39.039039.035.0^39.01.3材料的显微组织（1）在抛光态下，可见材料屮含有较严重的夹杂物，英形态、分布见图1。对照标准[2],夹杂物级别为3〜4级。图1夹杂物形态及分布状况100X图2螺栓的显微组织280X4%硝酸酒精溶液侵蚀⑵显微纽.织见图2。组织为冋火马氏体+粒状贝氏体，并有少量铁素体。从图2可明显看出，组织屮存在严重偏析，出现冋火马氏体和粒状贝氏体带，致使显微组织不均匀，而且在冋火马氏体带屮存在MnS夹杂。对样品螺纹根部附近的纽.织进

4、行了观察，未发现脱碳现象。1.4断口分析(1)图力为断口的宏观形貌，断口较平坦，表面呈灰色，有明显的撕裂脊，呈放射状花样，放射线从屮心向四周发射。表明裂纹先在屮心形成，然示向外扩展。当裂纹扩展至柴个横截面时，螺栓断裂。图3断口的宏观形貌图4断口微观形貌(2)断口的微观形态基木上以准解理花样为主，还有一些二次裂纹，如图4所示。从断口的处观和微观分析可知，断裂断「I为脆性断I」，裂纹起源于屮心部位。裂纹产生麻向四周扩展，肓至螺栓断裂。15螺纹部位横向内裂纹(1)在制取金相试样时，发现试样螺纹部分至少还有1〜2个垂肓轴线的横向内裂纹，一其纵截面

5、形态见图5,似人的嘴形。打开内裂纹，发现其面积已基木片据了幣个横截面，其形态与断裂断口十分相似。图3b为它的玄观形貌。从断口的宏观形态上可以看出，裂纹面较平坦,呈灰色,有明显的呈放射花样的撕裂脊,放射线是从中心向四周放射的。比较图3a和图3b可以看出，它们的形貌是相同的。裂纹断口的微观形态也是以准解理花样为工加二次裂纹。断口的宏观、微观分析表明，该内裂纹断口与断裂断口木质上是一样的。⑵将剩余部分的螺栓沿屮心纵向剖开，用10%硝酸溶液侵蚀，发现材料心部有严重的碳偏析，存在明显的流线，见图6。这与金相观察结果是一致的。对存在偏析的显微组织进行

6、显微硬度测定，发现偏析屮的冋火马氏体区域的硬度为48.2HRC,大大高于粒状贝氏体区域的硬度(35.5HRC)o图5螺纹部位的横向内裂纹纵截面形态图6螺栓材料内部的碳偏析2分析与讨论2.1螺栓的横向内裂纹化学成分分析表明，螺栓材料的化学成分符合35CrMoA钢的标准成分，其硬度也在技术要求范围内（但己接近上限）。但是从金相分析结果可以看出，材料的内在质量较羌，心部存在碳偏析，不仅降低了材料的韧性和敎性，而且由于组织不均匀，引起心部硬度不均匀，最高硬度己达48HRC。同时，材料屮存在严重的夹杂物，致使螺栓心部材料硬而脆，因此施加载荷示首先在

7、心部产生裂纹，而示形成横向内裂纹。所谓钢材的碳偏析是指钢材内备部位含碳量的不均匀性。碳偏析是树枝状偏析的结果，而树枝状偏析又是选择结品的结果。钢奋结晶时，先形成枝干，然后形成枝间，先结晶的枝干比较纯，碳浓度较低，而迟结晶的枝间碳浓度较高，形成碳分布不均。若钢材或锻件树枝晶发达，则钢的测性和韧性降低，这种情况尤以屮碳倂釦钢最为普遍，在压力加工时会形成流线，树枝品偏析严車:时还可使锻件破裂［3］。碳偏析是在冶金过程屮由于种种原因造成的。紧I古I件原材料屮的严重碳偏析会造成紧I古I件经热处理麻备部位力学性能的显著弟异。文献［4］报道，有一批某型

8、汽车上的45钢螺栓，在使用屮连续发生断裂事故，经检杳发现，断裂是由心部开始，整个断口呈放射状脆断形貌，将这批螺栓所用钢材沿其轧制方向剖开，发现在试样屮心存在着内部裂纹，经酸蚀后可看出严重的中心