六角頭螺栓斷裂試驗(yàn)分析

六角頭螺栓，規(guī)格為M12×120，強(qiáng)度8.8級(jí)，材料40Cr ，鍍黃鋅。螺栓在安裝過(guò)程中斷裂，且破斷時(shí)施擰的扭矩值很小，螺栓均斷于頭桿處。

試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

斷裂件表面為黃色，螺紋長(zhǎng)度約為37mm，頭桿處斷裂，見(jiàn)圖13-10。

圖13-10   斷裂螺栓形貌

六角頭螺栓在靠近頭下圓角處斷裂，螺栓頭部一側(cè)斷口和桿部一側(cè)斷口均呈現(xiàn)月牙狀，為陳舊斷口，有紅褐色物質(zhì)覆蓋，區(qū)域斷面比較平滑。

桿部一側(cè)斷口紅褐色物質(zhì)較多較致密，頭部一側(cè)斷口紅褐色物質(zhì)相對(duì)較少。

頭部和桿部斷口非月牙狀區(qū)域?yàn)樾迈r斷口，沒(méi)有紅褐色物質(zhì)，具有金屬光澤，部分區(qū)域有輕微磕碰痕跡。

桿部一側(cè)的新鮮斷口有部分塑性變形現(xiàn)象，見(jiàn)圖13-11（a、b）所示。

                           a     a頭部斷口                     b    桿部斷口

圖13-11  斷口宏觀形貌

將斷口試樣進(jìn)行超聲波清洗后采用掃描電鏡中觀察：呈月牙狀區(qū)域的斷口斷面上，靠近外園的大部分區(qū)域有一層致密的小顆粒附著，顆粒物質(zhì)分布比較均勻，見(jiàn)圖13-12。

呈月牙狀靠近中心的部分區(qū)域，其顆粒附著物較少，晶界表面有腐蝕的痕跡，見(jiàn)圖13-13，個(gè)別區(qū)域存在晶間裂紋，見(jiàn)圖13-14。

非月牙狀斷口區(qū)域，無(wú)腐蝕和顆粒附著物，微觀形貌為韌窩，韌窩大小不一，見(jiàn)圖13-15。

圖13-12 月牙狀區(qū)域微觀形貌             圖13-13 晶界表面腐蝕跡象

圖13-14 晶間裂紋形貌               圖13-15 斷口韌窩形貌

使用能譜儀對(duì)斷面進(jìn)行成分檢測(cè)，在呈月牙狀區(qū)域斷口表面上的顆粒附著物，主要化學(xué)成分為鐵、碳、鋅、氧成分，還有少量的硅，其他成分比較少，見(jiàn)圖13-16。

在非月牙狀區(qū)域斷口表面的主要成分為鐵、碳、氧成分，見(jiàn)圖13-17。

螺栓化學(xué)成分分析，將截取段進(jìn)行化學(xué)成分分析，其螺栓頭部、桿部、螺紋部分的化學(xué)成分分析結(jié)果基本相同，螺栓材料40Cr。

將斷件桿部沿軸向剖開(kāi)進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)，硬度梯度從距離桿部表面0.05mm處開(kāi)始，每隔0.5mm進(jìn)行一個(gè)顯微硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為280～305HV10，硬度值比較平穩(wěn)，沒(méi)有特別的硬度跳動(dòng)。  

圖13-16月牙狀區(qū)域斷面成分截圖        圖13-17 非月牙狀區(qū)域斷面成分截圖

并對(duì)斷裂螺栓桿部和螺紋處進(jìn)行組織檢查，組織均為均勻的回火索氏體組織，沒(méi)有明顯的脫碳和滲碳現(xiàn)象，見(jiàn)圖13- 18。

圖13-18   螺栓回火索氏體組織          

  分析與討論

斷口宏觀和微觀檢查，斷口兩個(gè)區(qū)域的斷裂機(jī)理不完全一樣，呈月牙狀區(qū)域的斷口氧化腐蝕比較嚴(yán)重，存在晶間裂紋，為脆性斷裂。非月牙狀區(qū)域?yàn)樾迈r斷口，無(wú)銹蝕，微觀形貌主要以韌窩為主，斷裂形式為韌性斷裂。

斷口進(jìn)行能譜分析，斷口呈月牙狀區(qū)域中有鋅成分存在，而非月牙狀區(qū)域沒(méi)有檢測(cè)到鋅成分，說(shuō)明斷口的月牙狀區(qū)域在表面處理前已存在，鍍鋅時(shí)鍍鋅溶液深入裂紋內(nèi)，未清洗干凈成為一層致密的小顆粒狀附著在裂紋面上。

該裂紋產(chǎn)生于表面處理前，裂紋的產(chǎn)生有3種情況：原材料裂紋？頭部成型裂紋？淬火裂紋？

原材料裂紋絕大多數(shù)都為縱向裂紋，個(gè)別橫向裂紋出現(xiàn)在原材料的料頭，有橫向裂紋的材料，投產(chǎn)后裂紋應(yīng)出現(xiàn)在產(chǎn)品的任意部分，而不是在頭桿處。該螺栓橫向裂紋只出現(xiàn)在頭桿處，可排除原材料裂紋因素。

螺栓為冷鐓頭部成型，冷鐓頭部成型的裂紋基本上發(fā)生于頭部，頭部邊沿裂紋、頭部開(kāi)裂等，頭部成型時(shí)不會(huì)在頭桿處形成橫向裂紋，也可排除冷鐓頭部成型在頭桿處形成橫向裂紋的因素。

該螺栓為薄頭螺栓，由于頭部厚度小，造成頭部變形較大，較大的變形使頭桿處殘余應(yīng)力增大；頭桿處又是螺栓的應(yīng)力集中處，在淬火冷卻時(shí)容易形成淬火裂紋。

該裂紋為橫向裂紋，并產(chǎn)生于螺栓應(yīng)力集中的頭桿處，判定為淬火裂紋。由于該螺栓存在橫向的淬火裂紋，而且橫向淬裂紋較深，使得螺栓抗拉強(qiáng)度下降，導(dǎo)致安裝時(shí)，在不大的安裝應(yīng)力作用下螺栓發(fā)生斷裂失效。

結(jié)論與啟示

（1）由于該螺栓存在淬火裂紋，使得螺栓抗拉強(qiáng)度下降，導(dǎo)致安裝時(shí)在不大的安裝應(yīng)力作用下螺栓發(fā)生斷裂失效。

（2）頭部變形較大的螺栓，頭桿處殘余應(yīng)力增大，頭桿處又是應(yīng)力集中處，在淬火冷卻時(shí)容易形成淬火裂紋。因此，建議在熱處理前增加一次去應(yīng)力退火，消除加工的殘余應(yīng)力，防止在熱處理過(guò)程中應(yīng)力集中處生產(chǎn)淬火裂紋。