特種鋼螺栓使用斷裂失效分析

B7M等級(jí)螺栓,規(guī)格為1″-8×160mm，42CrMo鋼制作，表面處理為銀白色電鍍鋅，螺栓在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂。

16.8.1  試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

斷裂件宏觀檢查，螺栓斷裂位置在螺紋處，斷裂處有明顯的塑性變形，見(jiàn)圖16-48。

圖16-48  螺栓斷裂件宏觀形貌

斷裂件斷口已銹蝕，斷面平坦，斷口附近無(wú)明顯塑性變形，但仍可分辨銹蝕之前斷口顏色呈灰色，有明顯的撕裂脊，呈放射狀花樣，放射線從中心向四周發(fā)射，見(jiàn)圖16-49。

圖16-49 斷口宏觀形貌

（1） 掃描電鏡觀察

（2） 對(duì)斷口采用掃描電鏡觀察：  整個(gè)斷口基本上以解理為主，還有少量韌窩，微觀形貌見(jiàn)圖16-50、圖16-51。

    圖16-50 斷口解理形貌                     圖16-51  斷口解理＋韌窩形貌

（2）低倍缺陷檢查

   對(duì)螺栓橫截面試樣進(jìn)行酸浸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)螺栓存在中心疏松，見(jiàn)圖16-52.

對(duì)螺栓縱截面試樣進(jìn)行酸浸試驗(yàn)，部分金相試樣在螺紋處的內(nèi)部至少有2個(gè)垂直軸線的橫向裂紋，見(jiàn)圖16-53。

打開(kāi)橫向裂紋，發(fā)現(xiàn)其橫向裂紋的面積已基本占據(jù)了整個(gè)橫截面，其形態(tài)與（圖16-49所示）斷裂件斷口十分相似。

圖16-52  螺栓中心疏松              圖16-53  螺栓縱截面低倍缺陷        

（3） 金相檢查

分別取螺栓縱截面和橫截面制成金相試樣，進(jìn)行顯微組織檢查，組織中存在嚴(yán)重偏析，致使顯微組織不均勻，見(jiàn)圖16-54。

對(duì)螺栓螺紋根部附近的組織進(jìn)行了觀察，未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，見(jiàn)圖16-55。

螺栓顯微組織為回火索氏體組織，見(jiàn)圖16-56

組織中含有較嚴(yán)重的夾雜物，依照《GB/T 10561-2005》標(biāo)準(zhǔn)，氧化物類夾雜物級(jí)別為粗系2.5級(jí)，其形態(tài)分布見(jiàn)圖16-57。

圖16-54縱向顯微組織    200×           圖16-55  螺紋根部組織   50×

圖16-56 回火索氏體組織 500×              圖16-57  夾雜物組織形態(tài)  100×

（4）硬度檢驗(yàn)與材質(zhì)分析

分別在螺栓的近表面、1/2半徑處、中心等處進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果：

近表面硬度為323～330 HV0.3；1/2半徑處硬度為233～350 HV0.、中心處硬度為249～255 HV0.. 硬度檢測(cè)結(jié)果顯示螺栓的硬度值均勻性很差

   用直讀光譜法對(duì)斷口附近的材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果，材料的化學(xué)成分符合《GB/T 3077-1999》標(biāo)準(zhǔn)42CrMo鋼的要求。

16.8.3分析與討論

從斷口的宏觀形態(tài)上可以看出，裂紋面較平坦，呈灰色，有明顯的呈放射花樣的撕裂脊，放射線是從中心向四周放射的。裂紋斷口的微觀形態(tài)也是以解理形貌為主，還有少量韌窩形貌。內(nèi)裂紋斷口與斷裂件斷口的宏觀、微觀相同，擴(kuò)展后螺栓斷裂，其內(nèi)裂紋斷口與斷裂件斷口相同，說(shuō)明先有了內(nèi)裂紋，內(nèi)裂紋擴(kuò)展最后斷裂。

螺栓材料的化學(xué)成分符合42CrMo鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分。螺栓的硬度值均勻性很差。金相組織存在偏析；心部存在中心疏松；還有多的夾雜物，使材料的內(nèi)在質(zhì)量降低，不僅降低了材料的韌性和塑性，造成螺栓內(nèi)部硬度不均勻，因此，施加載荷后首先在心部在中心疏松的地方產(chǎn)生裂紋，而后形成橫向內(nèi)裂紋。螺栓安裝后，在安裝應(yīng)力作用下橫向內(nèi)裂紋不斷擴(kuò)展，螺栓最后斷裂。螺栓斷裂后沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，斷口遭氧化銹蝕。

螺栓材質(zhì)不良，組織偏析，存在較多的夾雜物，其心部又存在原材料中心疏松，造成熱處理后硬度不均，螺栓在安裝應(yīng)力作用下，裂紋先在中心形成，然后向外擴(kuò)展，產(chǎn)生橫向內(nèi)裂紋，在使用中橫向內(nèi)裂紋不斷擴(kuò)展，螺栓失穩(wěn)脆性斷裂。

螺栓擰緊螺母后，在螺桿上產(chǎn)生的軸向拉力分布是不均勻的，軸向力在旋合各圈螺紋牙間的分布呈雙曲余弦函數(shù)關(guān)系，第一圈螺紋牙承受的軸向力最大，然后依次減小，產(chǎn)生的橫向內(nèi)裂紋大小不一致，在使用中較大的橫向內(nèi)裂紋擴(kuò)展，螺栓失穩(wěn)脆性斷裂。

16.8.3 結(jié)論與啟示

（1）由于螺栓材質(zhì)不良、組織偏析、存在夾雜物、中心疏松，造成熱處理后硬度不均，使螺栓在安裝應(yīng)力作用下產(chǎn)生橫向內(nèi)裂紋，橫向內(nèi)裂紋在使用中不斷擴(kuò)展，最后失穩(wěn)斷裂。

 （2） 加強(qiáng)緊固件原材料的入廠檢查和投料檢查，不合格的原材料不投產(chǎn)。