螺柱斷裂分析及機制探討

李平平 ， 劉元森

（1. 中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011；2. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

螺柱作為兩端均外帶螺紋的一類緊固件，主要用于被連接零件厚度較大、要求結(jié)構(gòu)緊湊，或因拆卸頻繁，不宜采用螺栓連接的場合。目前，螺栓類產(chǎn)品氫脆斷裂是較為常見的故障模式[1-2]。螺柱型號為 M39×215，材質(zhì)為 40Cr，制造工藝為：棒材→調(diào)質(zhì)→（840 ℃油淬+530 ℃回火）→滾牙→電鍍。其主要用于側(cè)蓋板的擰緊固定。安裝過程中，首先在4個角上進行預(yù)緊，預(yù)緊力為180 N·m，當(dāng)預(yù)緊至第4根螺柱時發(fā)生斷裂。值得注意的是，斷裂時扭力僅為50 N·m。

一般而言，產(chǎn)品氫脆發(fā)生在亞表面[3-6]，發(fā)生在中心部位的氫脆斷裂較為少見。本研究通過斷口宏微觀形貌檢查、能譜分析、硬度檢測、帶狀組織評級、力學(xué)性能測試等方法，對斷裂螺柱進行分析，最終確定螺柱斷裂起源部位，以及斷裂的根本原因。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏微觀形貌檢查及能譜分析

斷裂螺柱外觀形貌見圖1a，斷裂處無縮頸等明顯的塑性變形，無磕碰、擦傷等機械損傷。斷口宏觀形貌與文獻[7-8]中所述形貌較為相近，如圖1b所示：1）斷面新鮮，無異物覆蓋，無氧化、腐蝕跡象；2）以圖中黃色虛線為界，斷口包括中間細瓷狀平坦區(qū)和邊緣45°剪切唇區(qū)；3）根據(jù)放射狀裂紋收斂方向可進一步判斷，中間平坦區(qū)為裂紋起始的螺柱中心位置（圖1b中紅色虛線區(qū)域），邊緣剪切唇區(qū)則是以前者為源發(fā)生一次性過載斷裂位置。為了便于分析，特將斷口不同部位分別編號為 1#、2#、3#。

圖 1 螺柱外觀及斷口宏觀形貌Fig.1 Appearance of double-screw bolt and macroscopic feature of fracture surface

將螺柱斷口采用無水乙醇超聲清洗后，放入掃描電鏡中觀察微觀形貌并進行能譜分析，結(jié)果如圖2所示。由圖可知：1#位置微觀形貌為典型的冰糖狀沿晶斷裂特征，晶界潔凈、無異物，晶間二次裂紋清晰可見，表現(xiàn)為氫脆斷裂特征；2#位置微觀形貌以解理斷裂特征為主；3#位置微觀形貌為韌窩特征。能譜檢查發(fā)現(xiàn)：1#位置的C含量遠高于40Cr成分范圍（質(zhì)量分數(shù)為0.37%～0.44%），合金元素Cr、Mn含量也遠高于2#位置的含量，說明斷裂螺柱中心位置存在嚴重的碳偏析和合金元素偏析（表1）。文獻[9-10]研究表明，碳對材料的氫敏感性影響很大，含碳量越高，材料對氫越敏感。

圖 2 螺柱斷口微觀形貌Fig.2 Microscopic features of fracture surface

表 1 螺柱斷口能譜分析(質(zhì)量分數(shù) /%)Table 1 EDS analysis result of fracture (mass fraction /%)

1.2 低倍及顯微組織分析

在斷口下方約20 mm處取橫截面試樣進行低倍腐蝕試驗，結(jié)果見表2、圖3a，未見明顯異常。

表 2 低倍檢查結(jié)果Table 2 Macrography examination

沿圖1b中綠色虛線線切割取樣后進行縱截面低倍腐蝕試驗，結(jié)果見圖3b?？芍褐行膮^(qū)域尤其靠近斷口附近碳偏析嚴重，易腐蝕且流線清晰可見，該處恰好是螺柱斷口的起裂部位。仔細觀察發(fā)現(xiàn)，縱截面表現(xiàn)出3個典型的特征區(qū)域：中心偏析Ⅰ區(qū)、枝晶偏析Ⅱ區(qū)、螺牙Ⅲ區(qū)。其中，Ⅱ區(qū)明顯的枝晶偏析說明螺柱原材料存在軋制不充分的現(xiàn)象。

圖 3 低倍形貌Fig.3 Macrography examination

對縱截面試樣進行顯微組織分析，結(jié)果見圖4。拋光態(tài)形貌無夾雜、夾渣、疏松等原材料缺陷，裂紋面為沿晶擴展形貌，這與微觀檢查結(jié)果一致（圖4a）。Ⅰ區(qū)偏析處與裂紋源位置完全對應(yīng)，仔細觀察發(fā)現(xiàn)：裂紋源位置軸向等距分布著多條寬約100 μm的裂紋（圖4b），此類裂紋實則是位于螺柱中心垂直于軸向直徑約100 μm的沿晶裂紋面。此外，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)組織為回火索氏體，Ⅱ區(qū)組織為回火索氏體+貝氏體+少量鐵素體，這與材料本身的淬透性有關(guān)（圖4c～圖4e）。

圖 4 斷裂螺柱顯微組織分析Fig.4 Microstructure analysis of fractured double-screw bolt

由于本案例中的螺柱最終熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)處理，雖然通過縱截面腐蝕形貌能清晰觀察到帶狀偏析現(xiàn)象，但不能準確地評定級別，故對試樣進行完全退火處理后，其顯微組織如圖4f所示?？梢?，數(shù)條連續(xù)的鐵素體帶貫穿視場，且鐵素體晶粒發(fā)生明顯變形，根據(jù)GB/T 13299—1991評定帶狀組織級別約為4～5級，說明螺柱原材料本身帶狀偏析嚴重，這與前述能譜分析結(jié)果一致。通常螺栓類產(chǎn)品帶狀組織評級要求≤3級。

1.3 硬度檢查及拉伸試驗

對縱截面中3個典型區(qū)域進行顯微硬度檢查，結(jié)果表明：Ⅰ區(qū)硬度約為HRC 42，Ⅱ區(qū)硬度約為HRC 28，Ⅲ區(qū)硬度約為HRC 36。技術(shù)要求規(guī)定的硬度為HRC 32～38，可見Ⅰ區(qū)硬度超出規(guī)定的上限值。

對同批次未斷裂螺柱進行拉伸試驗，斷裂發(fā)生于未旋合螺紋長度內(nèi)，抗拉強度為957 MPa，斷裂處發(fā)生明顯縮頸，且斷裂面形貌與本案例失效件不同。經(jīng)微觀形貌觀察可知，拉伸斷口全部為韌窩形貌（圖5）。

圖 5 拉伸試樣斷裂形貌Fig.5 Fracture morphology of tensile sample

2 分析與討論

根據(jù)上述檢查結(jié)果可知：螺柱宏觀形貌無明顯塑性變形，未見磕碰、刮擦等機械損傷；斷口包括中間平坦區(qū)和邊緣剪切唇區(qū)兩部分，斷面新鮮，無異物覆蓋，無氧化、腐蝕跡象；根據(jù)放射狀裂紋收斂方向判斷裂源位于螺柱中心位置。微觀形貌顯示上述中間平坦區(qū)又分為中心沿晶區(qū)和周圍解理區(qū)，其中沿晶區(qū)整體呈直徑約200 μm的圓形特征。另外，螺柱中心區(qū)域存在明顯的碳偏析和合金元素偏析，且原材料存在軋制不充分的現(xiàn)象。由此可以判斷，螺柱的斷裂性質(zhì)為偏析導(dǎo)致的氫脆斷裂。

通常合金鋼在凝固過程中不可避免會出現(xiàn)枝晶偏析，經(jīng)軋制后將形成一次帶狀，這種帶狀組織很難用熱處理的方法加以消除。對于原材料而言，帶狀組織主要表現(xiàn)為材料的各向異性，通常縱向強度高于橫向強度（即性能產(chǎn)生各向異性），這將極大地降低鋼的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率。對于需要后續(xù)熱處理的零件，由于成分的差異，也將造成各區(qū)域Ms點不同，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的時間先后不一，淬火后形成很大的顯微內(nèi)應(yīng)力，輕則導(dǎo)致熱變形過大，重則會造成應(yīng)力集中，甚至出現(xiàn)裂紋[11]。零件材料強度處于標(biāo)準要求的中下限水平時能夠顯著降低氫脆敏感性[12]，而本案例中由于C元素等的嚴重偏析，使得螺柱心部強度硬度遠高于表面和過渡區(qū)，極大地增加了氫脆斷裂的風(fēng)險。

針對上述分析，提出以下預(yù)防措施：1）提升冶煉水平，改善原材料純凈度，從而降低一次偏析的形核中心數(shù)量；2）增強鍛比進行充分軋制，減弱枝晶偏析程度；3）進行高溫擴散退火，消除或減弱偏析。

3 結(jié)論

1）失效螺柱的斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。

2）斷裂螺柱裂紋源處硬度遠高于其他區(qū)域，超出技術(shù)要求的上限值。

3）螺柱的早期斷裂主要與心部嚴重的元素偏析有關(guān)，其一方面提高了強度硬度，增大了氫脆敏感性；另一方面產(chǎn)生了很大淬火內(nèi)應(yīng)力。