40Cr材質螺栓裝配斷裂分析

郭 濤，黃 超

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖241000）

0 引言

螺栓作為重要的緊固件，其失效引起的結果往往具有較大的危害性。螺栓斷裂失效研究的文獻也集中于高強螺栓，其中對高強螺栓的研究主要以氫脆為主[1-5]，其中也有部分螺栓是由于疲勞[6，7]或者材料自身缺陷[8]導致的斷裂，對螺栓裝配不當引起的高強螺栓斷裂報導較少。

在對某液壓閥進行裝配時，96件該螺栓在裝配過程中有2件發(fā)生斷裂。所有螺栓均為新件且檢驗合格。螺栓規(guī)格為M10內六角螺栓，12.9級（GB/T 70.1）。螺栓材質為40Cr，表面處理采用氧化發(fā)黑，二次達克羅表面處理。為防止該斷裂的再次發(fā)生，通過對螺栓進行外觀觀察，對螺栓斷口進行宏微觀觀察，結合螺栓材料的金相組織、硬度等檢測結果，確定了螺栓斷裂性質，并對其失效原因進行了分析，給出了預防措施。

圖1 螺栓頭靠螺桿側端面外觀

1 試驗過程與結果

1.1 外觀觀察

試驗選取3件螺栓，其中2件為安裝后斷裂螺栓（編號為1#螺栓和2#螺栓），另一件為安裝后未斷裂螺栓（編號為3#螺栓）。如圖1(a）～圖1(c）所示，從3件螺栓頭的裝配損傷痕跡來看，1#和2#螺栓頭靠螺桿側端面磨損較嚴重，3#螺栓頭靠螺桿側端面輕微磨損，表明斷裂的1#和2#螺栓裝配應力相對較大。

1.2 體式觀察

對螺栓超聲波清洗后進行體式鏡觀察。1#螺栓斷面下第一扣螺紋處部分已被磨平，未磨平的螺紋還可見塑性變形，見圖2（a）.2#螺栓多處螺紋已經被磨平，且靠近斷裂位置可見輕微的塑性變形，如圖2（b）.3#螺栓完整，螺紋部位未發(fā)現(xiàn)明顯螺紋磨平的痕跡，如圖2（c）.從以上3件螺栓的螺紋磨損痕跡來看，也表明斷裂的1#和2#螺栓裝配應力相對較大。

螺栓斷口清洗后，銹蝕斷面基本被清除，。1#螺栓斷面較平坦，呈灰色，見圖3（a）.2#螺栓斷面呈灰色，可見明顯的放射棱線，從棱線匯聚方向可判斷其起源于螺栓表面，見圖3（b）.

1.3 斷口微觀觀察

將螺栓斷口經超聲波清洗后進行掃描電鏡觀察。1#螺栓斷口心部為等軸韌窩，邊緣為剪切韌窩，見圖4，可判斷1#螺栓為過載斷裂。2#螺栓斷口可見明顯的放射棱線匯聚于表面一側，對該區(qū)放大主要呈韌窩特征，還可見少量的解理特征，其它區(qū)域邊緣為拉長韌窩，心部為等軸韌窩形貌，見圖5.由此判斷2#螺栓也為過載斷裂。

圖4 1#螺栓斷口微觀形貌

圖5 2#螺栓斷口微觀形貌

1.4 金相組織檢查

在螺栓斷口附近截取金相試樣，磨制拋光經4%硝酸酒精腐蝕后進行金相組織檢查。螺栓組織均勻，為回火索氏體組織，未見其它異常，見圖6.

圖6 螺栓金相組織

1.5 硬度檢測

在螺栓斷口附近截取硬度試樣，由于試樣較小，采用A標尺洛氏硬度（HRA）進行測試，并根據GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算成C標尺的洛氏硬度值（HRC）和抗拉強度（σb），結果見表1.由測試結果可知，斷裂螺栓和完好螺栓硬度值均較均勻，硬度平均值相當，符合GB/T 3098.1-2000中12.9級中對螺栓的技術要求。

表1 螺栓硬度測試結果

1.6 氫含量檢測

在斷裂螺栓和同批次螺栓上分別進行氫含量測試，測試結果見表2.由表2結果可知，斷裂螺栓的氫含量為1.5 ppm，同批次完好螺栓氫含量為1 ppm.

表2 螺栓氫含量測試結果（ppm）

2 分析與討論

宏微觀觀察可知，1#、2#螺栓斷口均主要為韌窩特征，可判斷螺栓斷裂性質為過載斷裂。1#、2#、3#螺栓組織均勻，為回火索氏體，符合40Cr材料調質處理的組織要求；3件螺栓硬度值相當，HRC平均值分別為 40.2、40.4和 40.4，符合螺栓技術要求（GB/T 3098.1-2000中 12.9級螺栓，σb≥1 200 MPa，HRC 的測試值在39～44，可知螺栓斷裂與材質無關。斷裂螺栓和完好螺栓的氫含量相差不大，分別為1.5 ppm和1 ppm，可知氫對本次螺栓斷裂的影響也不大。

斷裂的1#和2#螺栓的螺紋可見磨損和變形痕跡，螺栓頭靠螺桿側端面處磨損相對更嚴重，而完好的3#螺栓的螺紋外觀完整，螺栓頭靠螺桿側端面未見嚴重磨損痕跡，可推斷斷裂螺栓在安裝過程中由于裝配應力較大，導致螺栓發(fā)生斷裂。

綜上所述，2件斷裂螺栓為過載斷裂，其斷裂與過大的裝配應力有關。建議在液壓閥裝配過程嚴格控制螺栓安裝過程，使用力矩扳手等工具控制安裝應力。

3 結論與建議

（1）2件螺栓斷裂螺栓為過載斷裂，其斷裂與過大的裝配應力有關；

（2）螺栓組織均勻，硬度值符合技術要求；

（3）建議嚴格控制螺栓安裝過程。