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时间:2020-03-23
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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
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