載重車輪動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)用高強(qiáng)螺栓的斷裂分析

沙明星

摘要：載重車輪下線后一般需要進(jìn)行動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)。但連接車輪和彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)加載軸所使用的高強(qiáng)度螺栓在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了早期斷裂的現(xiàn)象。通過宏觀檢驗(yàn)、斷口分析、硬度測試和金相分析等方法對失效螺栓進(jìn)行分析，確定了其斷裂的主要原因?yàn)闊崽幚聿涣肌?nèi)部組織不良、外表面脆性大和循環(huán)作用力大于疲勞許用應(yīng)力。通過對高強(qiáng)螺栓原材料的檢驗(yàn)，并調(diào)整熱處理工藝，在后續(xù)的試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)螺栓斷裂的情況。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)螺栓;調(diào)質(zhì);斷裂;循環(huán)作用力

中圖分類號：TG 142.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

一批規(guī)格為M22×1.5公稱長度1=60mm，材質(zhì)為40CrMo的10.9級高強(qiáng)螺栓，在動態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)中出現(xiàn)早期斷裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)多次因螺栓斷裂產(chǎn)生偏移量超差停機(jī)。在操作過程中，試驗(yàn)人員嚴(yán)格按照GB/T3098.1-2000《緊固件機(jī)械性能一螺栓、螺釘和螺柱》和GB/T5909-2009《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》的要求，進(jìn)行螺栓擰緊力矩的加載，彎曲試驗(yàn)力矩也按照上述標(biāo)準(zhǔn)施加。為了查明螺栓斷裂的原因，本文采用宏觀檢驗(yàn)、斷口分析、硬度測試和金相分析等方法對失效螺栓進(jìn)行分析。此批螺栓的技術(shù)要求是：整體淬火維氏硬度為241～286，調(diào)質(zhì)處理洛氏硬度為45～50。高強(qiáng)螺栓在使用過程中受到循環(huán)應(yīng)力的作用。

1理化檢驗(yàn)

1.1宏觀檢驗(yàn)

圖1為螺栓斷口宏觀組織照片，可以看出，斷口較平齊，斷裂源位于內(nèi)部偏中心處。圖1中部呈現(xiàn)放射性擴(kuò)展區(qū)，邊緣有一圈面積很小的部分與中間部分明顯分離，沒有明顯塑性變形，兩節(jié)螺栓合體沒有彎曲征兆，外表面沒有呈現(xiàn)受拉伸應(yīng)力的剪切唇，斷面呈脆性斷裂形貌。

1.2化學(xué)成分分析

從斷裂螺栓的外表面、放射源處和內(nèi)部中心處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1中的結(jié)果得出，螺栓化學(xué)成分符合GB/T3098.1-2000《緊固件機(jī)械性能一螺栓、螺釘和螺柱》的要求，但碳元素分布不均勻。

1.3洛氏硬度測試

對已斷裂螺栓的表面及內(nèi)部進(jìn)行硬度測試，螺栓表面洛氏硬度為41～44，放射性擴(kuò)展源處的洛氏硬度為52～53。表面硬度符合技術(shù)要求，但螺栓內(nèi)部硬度存在超標(biāo)問題。

1.4金相分析

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(yàn)法》，截取螺栓斷口界面進(jìn)行金相檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，顯微組織大部分是上貝氏體和少量屈氏體（見圖2）。放射源處存在較多的氧化物夾雜，顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體和淬火馬氏體（見圖3）。在試樣斷口處邊緣和非斷口處取樣進(jìn)行分析，觀察到的顯微組織基本一致，但是局部夾雜較輕，分別見圖4和圖5。

2分析與討論

從斷口的宏觀組織、硬度和金相分析結(jié)果看出，螺栓內(nèi)部存在的非金屬夾雜物是該高強(qiáng)螺栓發(fā)生早期斷裂的主要原因。夾雜物來源一般為金屬熔煉時(shí)與外界物質(zhì)接觸發(fā)生作用產(chǎn)生的，大多是與爐渣接觸。這類夾雜物的特征是外形不規(guī)則，尺寸較大，分布沒有規(guī)律。

馬氏體組織僅僅在夾雜物聚積處出現(xiàn)，可以推斷夾雜物存在引起了馬氏體組織異常。高強(qiáng)螺栓淬火組織的均勻性非常重要，一些熱處理廠家在淬火時(shí)，沒有獲得最大淬硬性，只是通過降低回火溫度來保證螺栓的最低抗拉強(qiáng)度，來掩飾不良熱處理質(zhì)量。因此應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T3098.1-2000《緊固件機(jī)械性能一螺栓、螺釘和螺柱》中規(guī)定的螺栓回火前要獲得約90%的馬氏體組織。

上貝氏體大致平行于鐵素體板條，在鐵素體板條間存在細(xì)長的碳化物，使得鐵素體條容易斷裂，導(dǎo)致金屬韌性差。因此在熱處理過程中不希望有上貝氏體出現(xiàn)。

綜上所述，合金熔煉后內(nèi)部含有較多夾雜物，使高強(qiáng)螺栓內(nèi)部組織疏松和成分偏析，阻斷了金屬的連續(xù)性。同時(shí)淬火和調(diào)質(zhì)工藝不良，使得不良組織增加，降低了高強(qiáng)螺栓的韌性和塑性，也增加了組織的內(nèi)應(yīng)力，使得高強(qiáng)螺栓在外界循環(huán)應(yīng)力的作用下出現(xiàn)早期失效，導(dǎo)致最后的斷裂。

3結(jié)論

由以上分析得出，高強(qiáng)螺栓斷裂主要是因?yàn)閮?nèi)部存在夾雜物和熱處理工藝控制不良。在沒有超載的情況下，螺栓內(nèi)部組織缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中萌生裂紋，同時(shí)非正常的調(diào)質(zhì)組織也增加了螺栓的脆性，導(dǎo)致螺栓的早期斷裂。

建議原材料嚴(yán)格依據(jù)GB/T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》生產(chǎn)，在金屬熔煉時(shí)控制爐渣，提高鋼材的質(zhì)量，生產(chǎn)加工前嚴(yán)格進(jìn)行理化試驗(yàn)抽樣檢驗(yàn)，包括化學(xué)成分及力學(xué)性能檢查，不合格產(chǎn)品嚴(yán)禁進(jìn)入加工階段。制定合適的調(diào)質(zhì)工藝，將淬火溫度控制在880℃，此時(shí)淬火韌性最好，可以油冷或采用40～55℃的溫水冷卻，避免冷水冷卻，從而保證螺栓的質(zhì)量。