螺栓件斷裂失效分析

吳斌偉，王超英，楊偉春

螺栓件斷裂失效分析

吳斌偉，王超英，楊偉春

（國(guó)家中小型軸承產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江 新昌312500）

通過掃描電鏡觀察、低倍組織試驗(yàn)、硬度測(cè)試、金相組織分析等技術(shù)手段，對(duì)斷裂螺栓件的失效原因進(jìn)行分析和討論，結(jié)果發(fā)現(xiàn)材料中心疏松是螺栓件脆性斷裂的主要原因。

螺栓；失效分析；脆性斷裂；中心疏松

1 前言

螺栓緊固件是配用螺母的圓柱形帶螺紋的緊固件，由頭部和螺桿（帶有外螺紋的圓柱體）兩部分組成的一類緊固件，需與螺母配合，用于緊固連接兩個(gè)帶有通孔的零件，是不可缺少的機(jī)械零件，由于其在日常生活和工業(yè)制造中的廣泛應(yīng)用，被稱之為工業(yè)之米。

螺栓的質(zhì)量安全直接影響到整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，其壽命的長(zhǎng)短直接決定了產(chǎn)品的使用壽命，因此對(duì)失效的螺栓緊固件進(jìn)行失效分析顯得尤為重要。 按照失效的不同形式可把失效分為正常失效和非正常失效，達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的為正常失效，反之為非正常失效，后者才是通常失效分析工作的主要對(duì)象。

通常造成螺栓失效的來源主要有以下方面：設(shè)計(jì)、選材、材料缺陷 、制造工藝（冷熱加工、表面處理等）、貯存、運(yùn)輸（碰撞、銹蝕）、裝配（如螺栓擰緊力矩）、工作條件（環(huán)境溫度、受力狀態(tài)、腐蝕環(huán)境、相關(guān)件的影響等）， 因此，失效來源不能單歸咎于生產(chǎn)制造者，還包括流通環(huán)節(jié)和使用者的一些問題。

2 螺栓失效概況

圖1為客戶提供的樣品，是已失效的螺栓產(chǎn)品的一部分，螺栓材料為20CrMnTi,熱處理工藝為滲碳淬火，要求滲層為0.9～1.2 mm，客戶產(chǎn)品在裝機(jī)后運(yùn)行中出現(xiàn)斷裂，但未能提供產(chǎn)品在運(yùn)行時(shí)的受力情況，要求分析斷裂的原因。

圖1 失效螺栓樣品形貌

3 檢測(cè)分析

3.1宏觀分析

利用體式顯微鏡對(duì)螺栓件進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)螺栓件斷口，其外層為淺瓷色，而心部有銹蝕的痕跡，呈泥黃色。 從斷口的粗糙程度可以發(fā)現(xiàn)，斷口粗糙，韌性纖維斷裂所占比重較大，脆性斷裂所占比重大。 而從斷口顏色觀察，斷口灰暗，塑性大。

圖2 斷口形貌

3.2電鏡分析

用汽油清洗螺栓件，干燥后利用掃描電鏡進(jìn)一步觀察，在掃描電鏡下觀察斷口形貌，結(jié)果如圖 3所示，我們可以看到從斷口形貌呈冰糖葫蘆態(tài)，屬于冰糖狀斷口，屬脆性斷裂。同時(shí)，在斷口心部，發(fā)現(xiàn)顯微孔隙，如圖 4、圖 5所示。

圖3 電鏡掃描斷口形貌

圖4 顯微孔隙

電鏡發(fā)現(xiàn)顯微孔隙主要分布在心部，有大小不一的孔隙5個(gè)，懷疑為材料疏松造成。

3.3低倍組織試驗(yàn)

利用線切割設(shè)備，通過制樣，拋光等步驟對(duì)斷口進(jìn)行表面處理，將樣品進(jìn)行低倍組織試驗(yàn)，如圖 6所示，發(fā)現(xiàn)樣品有明顯的中心疏松。

圖5 高倍顯微空隙

圖6 低倍組織

3.4硬度測(cè)試

技術(shù)要求規(guī)定，20CrMnTi軸經(jīng)過滲碳處理，表面W(C)＞0.8%時(shí)得到高碳馬氏體+碳化物+殘余奧氏體，具有高的硬度，硬度高達(dá)60～66HRC，心部得到馬氏體+殘余奧氏體，硬度在35～45HRC，經(jīng)過回火處理后可以滿足零件的性能要求。

表1 斷口硬度測(cè)量結(jié)果 / HRC

參照20CrMnTi技術(shù)要求，發(fā)現(xiàn)螺栓件滲碳層硬度符合要求，而心部硬度高于35～45HRC的技術(shù)要求。

3.5金相組織

心部組織為板條狀馬氏體，貝氏體加少量鐵素體，屬于正常的滲碳淬火后的心部組織，見圖7所示。

滲碳層深度約為0.9mm，符合其熱處理工藝滲層為0.9～1.2 mm要求，見圖 8所示。

圖7 心部金相組織

3.6失效分析

從掃描電鏡分析、硬度測(cè)量、低倍組織及金相組織分析結(jié)果可以判斷，螺栓件斷裂失效是由于材料的中心疏松引起脆性斷裂造成的。由于未能了解樣品在使用中的實(shí)際工況，因此對(duì)失效的機(jī)理無法進(jìn)一步分析。建議生產(chǎn)廠家加強(qiáng)對(duì)原材料的控制，特別是低倍組織的控制。

圖8 表面滲碳層組織

4 結(jié)束語

綜合以上分析，造成螺栓件斷裂失效是由于材料中心疏松而引起冰糖脆性斷裂?？梢?，對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品其能否有一個(gè)好的質(zhì)量，有一個(gè)好的使用壽命，其最直接的不是設(shè)計(jì)、制造工藝、工作條件，而是原材料質(zhì)量。加強(qiáng)原材料進(jìn)廠質(zhì)量控制是一個(gè)企業(yè)的重中之重。

（編輯：王立新）

Analysis of bolt fracture failure

Wu Binwei ,Wang Chaoying , Yang Weichun
(National Bearing Products Test Center, Xinchang 312500,China)

Through scanning electron microscope ( SEM ) ，macroscopic tests，hardness testing and microstructure analysis,the failure reasons of the bolt was analyzed and discussed.It was observed the center porosity of the material was the main reason of the brittle fracture bolt.

bolt;failure analysis;brittle fracture ;center porosity

TH131.3

B

1672-4852（2015）01-0051-03

2014-12-08.

吳斌偉（1986-），男，工程師.