螺栓熱鍛工藝裂紋失效分析

10.9級(jí)熱鐓六方大螺栓，規(guī)格分別為M36和M42，材質(zhì)為ML42CrMo，熱浸鍍鋅。

兩個(gè)規(guī)格的螺栓在成品檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分螺栓頭下R角處有裂紋，隨后采用探傷檢查，發(fā)現(xiàn)螺栓頭下R角處有較多的吸附磁粉的裂紋缺陷。

14.4.1  試驗(yàn)過程與結(jié)果

螺栓熱鍛工藝：始鍛溫度1150±50℃，終鍛溫度850±50℃，中頻加熱約1-2分鐘。M36螺栓調(diào)質(zhì)工藝：淬火溫度870-875℃，回火溫度575℃。M42螺栓調(diào)質(zhì)工藝：淬火溫度865℃，回火溫度550℃。

對(duì)故障件螺栓宏觀檢查，螺栓頭下缺陷用肉眼不好發(fā)現(xiàn)，采用磁粉探傷后，發(fā)現(xiàn)螺栓頭下R角處有吸附磁粉的裂紋缺陷

兩個(gè)規(guī)格的螺栓，宏觀形貌見圖14-23。

兩個(gè)規(guī)格的螺栓，磁粉探傷后頭下R角處吸附磁粉的裂紋缺陷，見圖14-24。

圖14-23 兩個(gè)規(guī)格螺栓宏觀形貌

圖14-24 螺栓頭下裂紋形貌

對(duì)兩個(gè)規(guī)格的螺栓沿頭部沿軸線剖開，制樣后進(jìn)行金相組織檢查。M36和M42螺栓裂紋外側(cè)的金相組織和裂紋形態(tài)基本相同，其裂紋由表及里擴(kuò)展，但有的裂紋未與表面貫通；螺栓表面有較淺的全脫碳，開口裂紋的開口處也有脫碳,封閉裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫碳，見圖14-25、圖14-26。

圖14-25  M36裂紋外側(cè)金相                 圖14-26  M42裂紋外側(cè)金相

兩個(gè)規(guī)格的螺栓（M36和M42）裂紋兩側(cè)的金相組織相同，為回火索氏體組織。裂紋主要以沿晶方式擴(kuò)展，沿晶走勢(shì)相同，有分支裂紋，見圖14-27、圖14-28。

圖14-27  M36的裂紋及兩側(cè)組織          圖14-28   M42的裂紋及兩側(cè)組織

M36螺栓心部金相組織為回火索氏體和少量鐵素體，見圖14-29。

M42螺栓心部金相組織為回火索氏體和少量鐵素體，見圖14-30。

圖14-29  M36螺栓心部金相組織          圖14-30  M42螺栓心部金相組織

兩個(gè)規(guī)格的螺栓頭下圓角及流線檢查，

M36螺栓圓角處的縱向剖面上變形流線完整、順暢，圓角處裂紋垂直流線擴(kuò)展，尾端尖細(xì)，出現(xiàn)裂紋位置的圓角半徑約為3mm，大于技術(shù)要求的下限（2mm），見圖14-31。

M42螺栓圓角處的縱向剖面，可見圓角處變形流線完整、順暢，圓角處裂紋垂直流線擴(kuò)展，尾端尖細(xì)，出現(xiàn)裂紋位置圓角半徑約為2.5mm，接近技術(shù)要求的下限（2.5mm），見圖14-32。

M36 、M42螺栓頭部流線均為橫向中心位置偏上，兩側(cè)圓角處均有明顯小折疊，說明兩批螺栓頭部鐓鍛變形不合理。

M36螺栓頭部流線，見圖14-33；M42螺栓頭部流線，見圖14-34。

圖14-31  M36螺栓圓角處流線與裂紋形態(tài)  圖14-32  M42螺栓圓角處流線與裂紋形態(tài)

圖14-33  M36螺栓頭部流線形貌            圖14-34 M42螺栓頭部流線形貌

對(duì)兩個(gè)規(guī)格螺栓縱向剖面進(jìn)行夾雜物檢查評(píng)定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 10516-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定方法》評(píng)定：

M 36螺栓夾雜物DS類（單顆粒球狀類）2.5級(jí)；D類（球狀氧化物）粗系2級(jí)，細(xì)系2級(jí)，見圖14-35。

M 42螺栓夾雜物DS類（單顆粒球狀類）2級(jí)；D類（球狀氧化物）粗系1.5級(jí)，細(xì)系2級(jí)，見圖 14-36。

圖14-35  M36螺栓夾雜物形貌            圖14-36   M42螺栓夾雜物形貌

采用直讀光譜對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果，M36、 M42螺栓化學(xué)成分符合《GB/T 6478-2001》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ML42CrMo鋼的要求。

螺栓表面硬度梯度及心部硬度試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果螺栓硬度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，硬度值如下：

M36螺栓心部硬度為355 HV10；

M32螺栓心部硬度為365 HV10。

14.4.2  分析與討論

該批螺栓的化學(xué)成分、金相組織和表心硬度均符合要求，雖然表面有全脫碳，組織中球狀氧化物DS類（單顆粒球狀類）2級(jí)較大，但都不是造成裂紋的原因。

該批螺栓裂紋均位于頭下圓角位置，為應(yīng)力集中部位，裂紋由表及里擴(kuò)展；裂紋走勢(shì)剛勁，尾端尖細(xì)，有分支裂紋，但有一些裂紋未貫通表面，從表面全脫碳處開始向內(nèi)擴(kuò)展，由此可排除淬火裂紋的可能。

螺栓頭部流線不沿變形的頭部外形分布，說明螺栓頭部鍛打變形不合理。 螺栓鍛打時(shí)采用中頻加熱，加熱時(shí)間較短，可能會(huì)造成加熱溫度不均勻，使頭部變形不能滿足變形要求，造成頭部流線不合格。

由于螺栓頭部鍛打工藝過程有問題，頭部變形中心不在中心位置，而在變形中心的偏上位置，使螺栓頭下圓角處應(yīng)力集中過大，變形不均勻，鍛打時(shí)圓角處產(chǎn)生了1～2條應(yīng)力裂紋，在裂紋附近還有許多細(xì)小封閉的裂紋。

由于螺栓表面有全脫碳層較軟，把小裂紋封住，肉眼不易看見。探傷時(shí)裂紋處吸附磁粉而顯示裂紋缺陷。

由于兩批螺栓頭部鍛打工藝不當(dāng)，造成頭部變形不合理，使螺栓頭下圓角處應(yīng)力集中過大，變形不均勻，鍛打時(shí)圓角處產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，

14.4.3   結(jié)論與啟示

（1）兩批螺栓圓角處的裂紋為鍛打應(yīng)力裂紋。

（2）造成應(yīng)力裂紋的原因是螺栓頭部鍛打工藝不當(dāng)，造成頭部變形不合理，使螺栓頭下圓角處應(yīng)力集中過大，變形不均勻，鍛打時(shí)圓角處產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，

（3）螺栓在探傷時(shí)，圓角處的細(xì)小裂紋表面吸附磁粉，而顯示裂紋缺陷。

（4）大規(guī)格螺栓頭部成型時(shí)要采用合理的鍛打工藝，控制加熱溫度和變形，防止頭下圓角處產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。