φ19mm高強(qiáng)度螺栓斷裂原因分析

王 鑫，孫耀明，彭曉華，江俊靈，張軼梁，梁成勁，唐武飛，陳 壽

(1.深圳市八六三新材料技術(shù)有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518117; 2.深圳市通產(chǎn)麗星股份有限公司，廣東 深圳 518117)

螺栓類零件是一種重要標(biāo)準(zhǔn)件，用作連接緊固件，在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。某酒店一臺(tái)進(jìn)口的Speed Queen SF250PV高速洗脫機(jī)在脫水過(guò)程中外籠和軸承座的固定螺栓突然發(fā)生斷裂。為分析高強(qiáng)度螺栓斷裂原因，對(duì)高強(qiáng)度螺栓斷裂進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

對(duì)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)螺栓上只有螺桿和螺母，均沒(méi)有螺栓頭，斷裂在同一位置，螺栓表面呈現(xiàn)深褐色，斷裂螺栓表面局部有鐵銹色，斷口平齊，斷口有明顯的貝殼狀形貌，斷口上顯示有裂紋源(A區(qū))、裂紋擴(kuò)展(B區(qū))及瞬間斷裂(C區(qū))三個(gè)區(qū)域，裂紋源起始于螺栓一側(cè)，從樣品斷口上觀察到靠近螺栓邊緣有一帶呈半圓分布的銹蝕區(qū)域，并且該螺栓瞬間斷裂C區(qū)域所占整個(gè)斷口面積較小，見(jiàn)圖1。

圖1 高強(qiáng)度螺栓宏觀圖

1.2 金相觀察

對(duì)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行金相磨制，在徠卡Leica DMLM光學(xué)金相顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，樣品邊緣顯微組織為回火索氏體，見(jiàn)圖2(a)；芯部為回火索氏體+貝氏體，見(jiàn)圖2(b)。未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，表面有一層發(fā)白的均勻涂層，深度約8 μm，見(jiàn)圖2(c)。樣品的非金屬夾雜物為：A 1.5，B 0，C 2.5e，D 0，Ds 0(備注：A類為硫化物類夾雜，B類為氧化鋁類夾雜，C類為硅酸鹽類夾雜，D類為球狀氧化物類夾雜，DS類為單顆粒球狀?yuàn)A雜(直徑≥13 μm，e表示粗系)。

(a)邊緣;(b)芯部;(c)表面涂層

1.3 缺陷微觀觀察及微區(qū)成分分析

高強(qiáng)度螺栓斷口經(jīng)超聲波清洗后，利用日本電子JEOL JSM-6460LV掃描電子顯微鏡對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行形貌觀察和微區(qū)成分分析，兩個(gè)斷口觀察均發(fā)現(xiàn)，裂紋源(A區(qū))起始于螺栓一側(cè)，見(jiàn)圖3(a)；裂紋源(A區(qū))及裂紋擴(kuò)展區(qū)(B區(qū))微觀形貌為疲勞輝紋，并且疲勞輝紋呈現(xiàn)逐漸變寬趨勢(shì)，裂紋擴(kuò)展區(qū)還發(fā)現(xiàn)有泥狀花樣斷口，見(jiàn)圖3(b)、3(c)；裂紋瞬間斷裂區(qū)(C區(qū))微觀形貌為變形韌窩，見(jiàn)圖3(d)[3]。

1.4 化學(xué)成分分析

對(duì)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699—2015 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中45鋼技術(shù)要求。

(a)斷口裂紋源及裂紋擴(kuò)展區(qū)；(b)、(c)裂紋擴(kuò)展區(qū)(B區(qū))；(d)瞬間斷裂區(qū)(C區(qū))

表1 高強(qiáng)度螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 分析

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果與GB/T 1231—2006 《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角螺栓、大六角螺母 墊圈技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中按性能等級(jí)要求8.8S的高強(qiáng)度螺栓材料(45鋼)牌號(hào)化學(xué)成分相符。

2.2 微觀特征分析

通過(guò)檢測(cè)斷裂螺栓的非金屬夾雜物、顯微組織、晶粒度及脫碳等。首先發(fā)現(xiàn)，該螺栓非金屬夾雜物較多，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，變形硅酸鹽夾雜物為粗系2.5e級(jí)，說(shuō)明螺栓基材的潔凈度較差，影響鋼材的連續(xù)性；由于非金屬夾雜物脆性大，在外加載荷和較大應(yīng)力集中的作用下，導(dǎo)致夾雜物自身的斷裂，形成微裂紋[4-5]。晶粒度為7級(jí)，屬于正常晶粒。其次，觀察顯微組織，邊緣組織為回火索氏體，芯部為回火索氏體+貝氏體，貝氏體約占20%，說(shuō)明螺栓基材的淬透性不好，芯部至少有約20%組織在淬火冷卻時(shí)未轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，按照GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能、螺栓、螺釘和螺柱材料熱處理》要求，高強(qiáng)度螺栓的材料，應(yīng)有足夠的淬透性，以確保緊固件螺紋橫截面的芯部在“淬硬”狀態(tài)，回火前獲得約90%的馬氏體組織，該產(chǎn)品從顯微組織上判斷為不合格的高強(qiáng)度螺栓；再次觀察螺栓外表面，發(fā)現(xiàn)有約8 μm深度的磷化層(按照GB/T 3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)12.9級(jí)螺栓表面不允許有金相能測(cè)出的白色磷化物聚集層，去除磷化物聚集層應(yīng)在熱處理前進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)8.8S高強(qiáng)度螺栓磷化物聚集層具體規(guī)定)，雖然該螺栓為8.8S等級(jí)，但是說(shuō)明該螺栓存在有白色磷化物聚集層。白色磷化物聚集層經(jīng)熱處理后硬度很高而且很脆弱，在緊固件使用過(guò)程中，特別是在循環(huán)載荷的條件下，裂縫部位的裂紋會(huì)持續(xù)擴(kuò)大并擴(kuò)大到基體金屬，造成緊固件疲勞壽命大大縮短，影響零部件的安全使用[6]。

2.3 斷口特征及微區(qū)成分分析

起始于螺栓一側(cè)，以腐蝕+疲勞斷裂形式向內(nèi)延伸擴(kuò)展，瞬間斷裂區(qū)斷口形貌為通過(guò)對(duì)兩個(gè)斷裂螺栓斷口進(jìn)行宏觀觀察，斷口上明顯可觀察到貝殼狀的裂紋源區(qū)，結(jié)晶狀的瞬間斷裂區(qū)，為典型的疲勞斷口。從斷口表面的銹蝕程度觀察，判斷左側(cè)螺栓先發(fā)生斷裂。對(duì)斷裂螺栓斷口進(jìn)行微觀觀察，斷口的裂紋源有疲勞輝紋，裂紋擴(kuò)展區(qū)有疲勞輝紋+泥狀花樣，螺栓斷口上觀察到應(yīng)力腐蝕及疲勞斷口的二者特征，證明螺栓斷裂為典型的腐蝕疲勞斷口[7]。裂紋源變形韌窩。由于螺栓正常使用時(shí)有預(yù)緊力和工作應(yīng)力，螺栓頭又與洗衣溶液腐蝕介質(zhì)接觸，為螺栓頭產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕創(chuàng)造了有利的條件，并且，從泥狀花樣斷口上測(cè)得有氧和氯元素，其中氯元素來(lái)源于溶液。

3 開(kāi)裂原因分析

通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行化學(xué)、金相檢測(cè)及斷口的宏觀、微觀分析，認(rèn)為該酒店使用的高速洗脫機(jī)外籠和軸承座的固定螺栓斷裂主要是螺栓基材芯部顯微組織中含有一定量的貝氏體，降低了零件的強(qiáng)度；強(qiáng)度降低導(dǎo)致螺栓零件在承受外力作用時(shí)，過(guò)早在應(yīng)力集中的螺栓頭根部產(chǎn)生疲勞裂紋，在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，裂紋不斷向內(nèi)腐蝕造成疲勞擴(kuò)展，當(dāng)個(gè)別螺栓的有效承載截面減小至強(qiáng)度不足引起斷裂，剩余螺栓承受載荷加大，加速產(chǎn)生腐蝕疲勞斷裂。

4 建議

嚴(yán)格控制高強(qiáng)度螺栓邊緣和芯部組織，降低夾雜物。確?；鼗鹎矮@得約90%的馬氏體組織，同時(shí)在熱處理前清除白色磷化物聚集層。