铆钉头部台阶状断裂分析

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1、铆钉头部台阶状断裂分析于　晖，陈德华，熊一啸（上海市机械制造工艺研究所铸锻热检测中心，上海　200070） 摘　要：低碳钢铆钉头部断裂，断口呈台阶状，分析表明，铆钉基体组织中渗碳体沿晶界分布，导致部分晶界脆化，极易在冷镦变形中发生层间错位、沿晶开裂。建议采用球化处理，以防止此类开裂。关键词：铆钉；冷镦；金属流线；渗碳体；球化处理 1　概况失效铆钉用于自行车撑脚上，杆部直径约5.8mm，杆部工作长度约12mm，头部外径约11mm，头部高约4mm；材质系15A（碳素钢，含碳0.12%～0.18%），热轧线材，经小变形量冷拉改制处理。铆钉铆接后沿头部发生断裂。铆钉断面与轴线垂直

2、，断口沿头的颈部转角发展，未见变形现象，断口呈平滑细瓷状；在头部的断口上，可看到有二层断面，台阶状，见图1所示。2　金相分析对断裂头部纵向取样进行金相分析。低倍下可见头部呈梯形，金属流线沿梯形轮廓均匀分布，在底部转弯，底层断面沿流线发展，见图2所示，可见流线与零件的几何形状相符合，流线分布正常。图中箭头①所指为第一垂直断面区；箭头②所指为上层与底层断面间的第二垂直断面；箭头③所指为底层断面；箭头④所指为上层（半）断面。               图1　断口宏观形貌                        图2　铆钉头部纵向截面低倍形貌×10在高倍下，底层开裂处组织

3、分布形貌见图3所示，可见断面沿变形铁素体晶粒的晶界发展，而与原始珠光体流线垂直。                图3　层间裂纹区域形貌×150              图4　金属流线转角相会处开裂形貌×150在垂直断面区，开裂基本沿金属流线，并与晶界相关发展。在头部侧面，金属流线转折后相会区域，即底部断面的延伸区，可见裂纹向两侧扩展，裂纹刚直、断续，表现为冷挤压裂纹，见图4所示。在高倍下，断面处明显可见沿晶界分布的碳化物及沿晶开裂形貌，见图5所示。杆部基体组织为铁素体+珠光体+沿晶分布的渗碳体[1]。3　扫描电镜分析头部断口经超声波清洗后置扫描电镜内进行断口微观分析。在

4、上层断面（图2中箭头④所指），可看到断口阶梯状发展，断口呈解理及沿晶状形貌，并有二次裂纹，见图6所示。               图5　断面处组织形貌×500                     图6　上层断面形貌（SEI）×200底层断口（图2中箭头③所指）区域最大，大部分区域表现为受挤压的晶界（滑移）面，少量解理花样，并有层间挤压开裂现象，见图7所示。在第一垂直断面上（图2中箭头①所指），可见韧窝及撕裂纹，方向性明显，见图8所示。在上层与底层断面间的第二垂直断面上（图2中箭头②所指），同样可见有方向性的韧窝及层状剥离的平面。4　分析与讨论4.1　由断口宏观及微观

5、分析可看到，在头部未见有流线不顺、冷镦折叠等常见的导致紧固件颈部断头的缺陷[2][3]。本案的开裂不由外缘起始，主断面在头部金属流线转折相会平面，开裂与微观组织分布相关。4.2　由扫描电镜分析及金相分析可推断，本样品在冷镦头部时，金属流线（带状组织）在剧烈变形中发生不均匀变形而产生层间错位，导致微裂纹在头部金属流线转折相会平面出现几率更大，在外力（装配、使用等）作用下，首先在这种有微裂纹的面上发生开裂，随后导致沿颈部双层（开）断裂。4.3　低碳钢中三次渗碳体一般是以狭细的条状或以链状分布在铁素体晶界上，导致部分晶界脆化，使冲压性能变差，极易在铆钉头部冷镦变形（变形量可高达

6、80%）中发生层间错位、沿晶开裂。而当金相组织中珠光体由片状变为球状时，冷墩开裂会随之降低[2]。           图7　底层断面形貌（SEI）×500                 图8　第一垂直断面形貌（SEI）×6005　结论（1）本案铆钉头部呈台阶状断裂，是由于铆钉基体组织中渗碳体沿晶分布，导致在冷镦变形中发生层间错位，沿晶开裂。（2）建议采用球化退火，以防止此类开裂。