《论文_螺栓断 裂分析 报告(定稿)》.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育部重点实验室，上海200030）摘要:采用断II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II分析结果衣明，断「I平坦，呈放射状花样，微观形态主要为准解理花样，农明螺栓的断裂是脆性断裂；同吋发现，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。金相分析衣明，材料棒中存在严重的中心碳偏析，而中心碳偏析是引起断裂的主耍原因。关键词:高强度螺栓;准解理;横向内裂纹；中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

2、进行验收试验吋发生断裂。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VD25直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。从衣1可以看出，材料的化学成分符合标准要求。元索C&MnMoCrPsCuNi含竝0.380.26标准成分⑴032-0400.17-0.370-690.40-0.700.231.000.0120.15-0.25080-1.10<00250.010<3002501027.250.059930表1材料化学成分12硬度测定硬度测定结果列于表

3、2。山表可见，螺栓材料硬度虽符合技术要求，但己接近上限。表2螺栓材料硬度测定结果HRC123技术要求39039039.035.0^39.0irCcJI£jLzt/迂w1.3材料的显微组织(1)在抛光态下,可见材料中含有较严重的夹杂物,其形态、分布见图1。对照标准⑵,夹杂物级别为3〜4级。图1夹杂物形态及分布状况100X图2螺栓的显微纽•织280X4%硝酸酒楮溶液侵蚀(2)显微纽.织见图2。纽•织为冋火马氏体+粒状贝氏体，并有少景铁素体。从图2可明显看出，组织中存在严重偏析，出现冋火马氏体和粒状贝氏体带，致使显微组织不均匀,

4、而且在I川火弓氏体带中存在MnS夹杂。对样品螺纹根部附近的纽织进行了观察，未发现脱碳现象。1.4断口分析(1)图3d为断口的宏观形貌，断口较平坦，表而呈灰色，有明显的撕裂脊，呈放射状花样，放射线从中心向四周发射。表明裂纹先在中心形成，然后向外扩展。当裂纹扩展至整个横截面时，螺栓断裂。图3断口的宏观形貌图4断口微观形貌(2)断口的微观形态基本上以准解理花样为主，还有一些二次裂纹，如图4所示。从断口的宏观和微观分析可知，断裂断口为脆性断口，裂纹起源于屮心部位。裂纹产生后向四周扩展，JT金螺栓断裂。1.5螺纹部位横向内裂纹(1)在

5、制取金柑试样时，发现试样螺纹部分至少还有1〜2个垂直轴线的横向内裂纹，英纵截面形态见图5,似人的嘴形。打开内裂纹，发现其面积己基本占据了整个横截面，其形态与断裂断口十分相似。图3b为它的宏观形貌。从断口的宏观形态上可以看出，裂纹而较平坦，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3d和图3b口J以看出，它们的形貌是和同的。裂纹断II的微观形态也是以准解理花样为主加二次裂纹。断口的宏观、微观分析表明，该内裂纹断口与断裂断口本质上是一样的。(2)将剩余部分的螺栓沿中心纵向剖开，用10%硝酸溶液侵蚀，发

6、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-•致的。对存在偏析的显微组织进行显微硬度测定，发现偏析中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农明，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（但已接近上限）。但是从金相分析结果可以看出，材料的内在质量较差，心部存在碳偏析，不仅降低了材料的韧性和塑性，血口山于组织不均匀，引

7、起心部硬度不均匀，®高硬度（2达48HRC。同时，材料中存在严重的夹杂物，致使螺栓心部材料硬而脆，因此施加载荷后首先在心部产生裂纹，向后形成横向内裂纹。所谓钢材的碳偏析是指钢材内务部位含碳最的不均匀性。碳偏析是树枝状偏析的结果，I佃树枝状偏析又是选择结晶的结果。钢在结晶时，先形成枝干，然后形成枝间，先结晶的枝T•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，则钢的蜩性和韧性降低，这种情况尤以中碳侪钳钢最为普遍，在斥力加匚吋会形成流线，树枝晶偏析严重时还可使锻件破裂［3］°碳偏析是在冶金

8、过程中山于种种原因造成的。紧固件原材料中的严重碳偏析会造成紧固件经热处理后各部位力学性能的显著差异。文献［4］报道，有-批某型汽车上的45钢螺栓，在使用屮连续发生断裂事故，经检杳发现，断裂是山心部开始，整个断口呈放対状脆断形貌，将这批螺栓所用钢材沿其轧制方向剖开，发现在试样中心存在看内部裂