分享：４２CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓軸向開裂失效分析

滕 ?。?梁 博１,孫曉庭１,丁志敏２

(１．中車大連機(jī)車車輛有限公司,大連 １１６０２２;２．大連交通大學(xué),大連 １１６０００)

摘 要:某８．８級４２CrMo鋼高強(qiáng)度螺栓,在熱處理后滾絲過程中發(fā)生軸向開裂.利用化學(xué)成分分析、宏觀檢驗以及金相檢驗等方法對螺栓開裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:螺栓開裂主要是因為其原材料表面存在呈線狀分布的鍛造折疊缺陷,折疊缺陷末端形成應(yīng)力集中,在熱處理淬火時成為了裂紋源,于強(qiáng)大的淬火應(yīng)力和滾壓應(yīng)力作用下誘發(fā)了螺栓軸向開裂.

關(guān)鍵詞:高強(qiáng)度螺栓;軸向開裂;鍛造折疊缺陷;應(yīng)力集中;淬火開裂

中圖分類號:TG１１５．２１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０４Ｇ０２９６Ｇ０３

FailureAnalysisonAxialCrackingofa４２CrMoSteelHighStrengthBolt

TENG Wei１,LIANGBo１,SUNXiaoＧting

１,DINGZhiＧmin２

(１．CRRCDalianCo．,Ltd．,Dalian１１６０２２,China;２．DalianJiaotongUniversity,Dalian１１６０００,China)

Abstract:A８．８gradehighstrengthboltmadefrom ４２CrMosteelcrackedalongtheaxisduringthread

rollingprocessafterheattreatmentandthecrackingcausesofthebolt wereanalyzedby meansofchemical

compositionanalysis,macroexaminationandmetallographicexamination．Theresultsshowthatthecrackingofthe

boltwasmainlyduetothattherewaslineardistributionforgingfolddefectintheraw materialsurfacebeforeheat

treatment．Andtheforgingfolddefectcausedstressconcentrationandbecameacrackingsourcewhenquenching,

whichinducedtheaxialcrackingoftheboltundertheactionofpowerfulquenchingstressandrollingstress．

Keywords:highstrengthbolt;axialcracking;forgingfolddefect;stressconcentration;quenchingcracking

某 單 位 生 產(chǎn) 的 規(guī) 格 為 M１６ mm×７０ mm 的８．８級高強(qiáng)度螺栓為一種大批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件.近日,在批量的滾絲生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)有個別螺栓發(fā)生軸向開裂,如圖１所示.該螺栓材料為４２CrMo鋼,生產(chǎn)工藝流程為:下料→墩頭→退火→調(diào)質(zhì)→精加工→滾絲.筆者對軸向開裂螺栓進(jìn)行了檢驗和分析,以期查明其開裂原因,為采取有效預(yù)防措施、避免類似質(zhì)量問題的再發(fā)生提供參考.

１ 理化檢驗

１．１ 化學(xué)成分分析

    對開裂 螺 栓 取 樣 進(jìn) 行 化 學(xué) 成 分 分 析,結(jié) 果 見表１,可見各元素含量均符合 GB/T３０７７－２０１５«合金結(jié)構(gòu)鋼»對４２CrMo鋼成分的技術(shù)要求.

１．２ 宏觀檢驗

    將開裂的螺栓沿縱向裂紋打開后其宏觀形貌如圖２所示,可見斷口表面覆蓋黑色氧化皮,斷裂微觀形貌基本已無法辨別,但宏觀上依舊可判別裂紋的走向,裂紋從六角頭頂部及螺栓桿部表面呈一定弧度向基體擴(kuò)展,兩個方向擴(kuò)展的裂紋在六角頭內(nèi)部近表面區(qū)域發(fā)生交匯,如圖２中箭頭所指.

１．３ 非金屬夾雜物檢驗

    從 開 裂 的 螺 栓 上 截 取 縱 向 試 樣(取 樣 部 位 如圖１所示),經(jīng)鑲嵌、磨拋后進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗.依據(jù) GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物含量的測定———標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法»,非金屬夾雜物含量檢驗結(jié)果如下:A１．５,B０．５,C０．５,D０.

１．４ 金相檢驗

    從開裂螺栓裂紋部位切取橫向試樣,經(jīng)鑲嵌、磨拋后在光學(xué)顯微鏡下觀察,圖３為裂紋開口處形貌,可見裂紋由表面向內(nèi)部擴(kuò)展,并呈現(xiàn)沿晶擴(kuò)展特征,裂紋內(nèi)部有氧化物.侵蝕后再觀察,裂紋兩側(cè)未見明顯的氧化脫碳現(xiàn)象,不具有鍛造折疊裂紋的特征,與淬火裂紋相似.

    圖４為螺栓基體顯微組織形貌,為正常的回火索氏體,晶粒度依據(jù) GB/T６３９４－２００２«金屬平均

晶粒度測定法»評定為７~８級.在螺栓六角頭頂部取樣,經(jīng)鑲嵌、磨拋后在光學(xué)顯微鏡下觀察,圖５為六角頭頂部拋光態(tài)形貌,可見深約７０μm 的二次裂紋,與金屬表面呈銳角,裂紋兩側(cè)存在高溫氧化質(zhì)點及內(nèi)氧化,侵蝕后進(jìn)行觀察,有氧化脫碳現(xiàn)象,具有鍛造折疊的特征[１].

     由于螺栓桿部及螺紋部位調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行了機(jī)加工,故其裂紋源信息已被破壞,無法進(jìn)行有效的判別,但根據(jù)螺栓斷口形貌及六角頭頂部的顯微形貌大致可以推測,該螺栓在鍛造過程中六角頭頂部及桿部均存在較淺的折疊類缺陷,由于缺陷在調(diào)質(zhì)處理過程中未能去除,故而在淬火應(yīng)力下發(fā)生開裂,裂紋分別由六角頭頂部和桿部同時萌生并向基體擴(kuò)展,由于存在兩個方向形成的裂紋,在裂紋擴(kuò)展過程中必然會存在交匯區(qū)域.螺栓的斷口形貌及金相形貌證實了這一觀點.

 分析與討論

    從以上理化檢驗結(jié)果可知,該螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要術(shù),鋼中的非金屬夾雜物含量較低,這表明該螺栓材料的潔凈度較好;螺栓基體顯微組織為正常的回火索氏體,晶粒度為７~８級,表明該螺栓調(diào)質(zhì)熱處理工藝正常.該螺栓的生產(chǎn)流程已經(jīng)定型,為 成 熟 工 藝. 同 批 次 熱 處 理 的 螺 栓 共 有７０００個左右,僅發(fā)現(xiàn)６個螺栓發(fā)生了軸向開裂,開裂比例很低,屬于偶然失效,可以排除螺栓的淬裂是由于熱處理工藝和熱處理操作等因素造成的.裂紋通常起源于零件的應(yīng)力集中處,或在各種工藝過程中所造成的材料缺陷處[２].而材料缺陷形成應(yīng)力集中引起的裂紋一般起源于材料的折疊、拉痕、偏析等陷處[３Ｇ４].鍛造折疊和微裂紋同屬于應(yīng)力集中敏感區(qū)域,容易誘發(fā)熱處理開裂.該螺栓表面裂紋為軸向擴(kuò)展,幾乎呈直線狀,開裂起源于螺栓表面,裂紋邊上的小裂紋周圍存在脫碳現(xiàn)象,尾端圓鈍,具有鍛造折疊特征,折疊的末端為應(yīng)力集中點,往往在熱處 理 淬 火 時 引 發(fā) 開 裂[５Ｇ６].該 螺 栓 原 材 料 下 料 時為?１７mm的棒材,在棒材拉拔過程中,原材料上的鍛造折疊缺陷沿軸向伸長變形,在淬火應(yīng)力和折疊裂紋引起的應(yīng)力集中效應(yīng)的雙重作用下形成淬火裂紋,導(dǎo) 致 螺 栓 在 后 續(xù) 的 加 工 過 程 中 發(fā) 生 軸 向開裂[７Ｇ８]。

結(jié)論

    螺栓軸向開裂與材料本身存在折疊缺陷有關(guān);該螺栓在熱處理前其表面即已存在呈線狀分布的鍛造折疊缺陷,折疊缺陷末端為應(yīng)力集中敏感區(qū)域,在淬火熱處理時成為了裂紋源,于強(qiáng)大的淬火應(yīng)力和滾壓應(yīng)力作用下誘發(fā)了軸向開裂。

（材料測試網(wǎng)-理化檢驗-物理分冊）