高強(qiáng)度雙頭螺柱斷裂失效分析

陳遠(yuǎn)林 謝 俊 黃安明

(德陽天元重工股份有限公司，四川618000)

高強(qiáng)度雙頭螺柱廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、橋梁、體育場(chǎng)館、吊塔、大跨度鋼結(jié)構(gòu)和大型建筑等，其質(zhì)量好壞直接影響構(gòu)件的安全性。40CrNiMo鋼具有良好的綜合性能，其淬透性高，低溫韌性好，常用于制造高強(qiáng)度螺桿[1]。某廠家生產(chǎn)的10.9級(jí)高強(qiáng)度雙頭螺柱進(jìn)行實(shí)物拉力試驗(yàn)時(shí)，在未達(dá)到規(guī)定破斷載荷的情況下發(fā)生斷裂。為了分析該雙頭螺柱發(fā)生斷裂的原因，通過對(duì)該雙頭螺柱化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織進(jìn)行分析，并采用體視顯微鏡和SEM掃描電鏡對(duì)其斷口分別進(jìn)行宏觀形貌和微觀形貌觀察，最終確定斷裂失效的主要原因。

1 取樣觀察

對(duì)斷裂雙頭螺柱進(jìn)行取樣，取樣示意圖如圖1所示。斷口有明顯的塑性變形。雙頭螺柱左側(cè)和螺帽相連，螺帽距離斷口位置約為25 mm，變形引起左側(cè)斷口側(cè)面的表面鍍層發(fā)生了剝離。右側(cè)斷口位置1和位置2斷口平坦，其他位置有明顯塑性變形，變形也引起了右側(cè)斷口側(cè)面的表面鍍層發(fā)生剝離。從斷口側(cè)面可見，斷裂發(fā)生在螺紋溝槽處，斷口附近其他螺紋溝槽處也已經(jīng)開裂。

2 理化檢驗(yàn)與金相分析

2.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

從斷裂雙頭螺柱上取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能分析。采用直讀光譜儀進(jìn)行成分檢測(cè)，使用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。

圖1 斷裂雙頭螺柱取樣圖Figure 1 Sampling drawing of fractured double-end stud

CSiMnPSCrNiMo平均值0.3950.2920.5780.01640.00590.7771.260.131標(biāo)準(zhǔn)值0.37～0.440.17～0.370.50～0.80--0.60～0.901.25～1.650.15～0.25

表2 拉伸性能Table 2 Tensile properties

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》和GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》，斷裂的雙頭螺柱化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 金相組織

在斷口附近截取試樣進(jìn)行金相觀察。雙頭螺柱金相組織如圖2所示。金相為回火索氏體組織，金相組織正常。

3 斷口分析

3.1 斷口宏觀形貌觀察

對(duì)斷口進(jìn)行目視觀察，如圖3所示。斷口位置1、2、3、4平坦，鄰近雙頭螺柱的外表面是起裂開始位置。其余位置塑性變形大，為最后斷裂位置。故主要對(duì)斷口位置1、2、3、4進(jìn)行觀察。

圖2 雙頭螺柱金相組織Figure 2 Metallographic structure of double-end stud

圖3 斷口整體形貌
Figure 3 Overall fracture morphology

用體視顯微鏡對(duì)斷口位置1、2、3、4進(jìn)行宏觀形貌觀察，由圖3可知，位置1、2、3、4斷口平坦，是起裂開始區(qū)域。起裂開始于雙頭螺柱溝槽處，其余側(cè)面溝槽處均發(fā)生了開裂。位置1、3、4均有明顯的放射線，根據(jù)放射線的收斂方向可知起裂的方向和位置。

3.2 斷口微觀形貌觀察

利用掃描電鏡對(duì)斷口位置1、2、3、4進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果如圖4～7所示。位置1起裂源如圖4(a)所示，起裂源位于雙頭螺柱表面溝槽處。在高倍數(shù)下觀察起裂源，如圖4(b)所示，起裂源處存在大量的氫鼓泡以及一些夾雜物。圖5中的位置2也存在大量的氫鼓泡以及塊狀?yuàn)A雜物。圖6(a)中的位置3先在裂紋源2位置起裂，裂紋擴(kuò)展到夾雜物聚集的位置，形成新的裂紋源并向前擴(kuò)展。高倍數(shù)下的裂紋源2如圖6(b)所示，裂紋源存在大量的氫鼓泡和球形夾雜物(氧化物)。圖7(a)中的位置4先在裂紋源3起裂。高倍數(shù)下的裂紋源3如圖7(b)所示，裂紋源也存在大量的氫鼓泡。

圖4 位置1微觀形貌Figure 4 Morphology of position No.1

圖5 位置2微觀形貌
Figure 5 Morphology of position No.2

圖6 位置3微觀形貌
Figure 6 Morphology of position No.3

圖7 位置4微觀形貌
Figure 7 Morphology of position No.4

4 綜合分析

在雙頭螺柱的制造過程中，可能造成氫的滲入，導(dǎo)致雙頭螺柱靠近表面的位置存在氫鼓泡。首先氫原子滲入到雙頭螺柱表面的缺陷(空位、空洞、夾雜等)中，缺陷處的氫原子結(jié)合成氫分子，氫分子在表面缺陷處聚集使得此處氫壓增大，壓力繼續(xù)增大，最后氫泡破裂，形成氫鼓泡[2]。在張拉過程中，雙頭螺柱表面的溝槽表面存在大量的氫鼓泡，再加上溝槽處截面積最小，所受應(yīng)力最大。氫鼓泡受到拉應(yīng)力的作用在溝槽表面形成微裂紋，最終導(dǎo)致了雙頭螺柱的斷裂。

5 結(jié)論

(1)雙頭螺柱化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)雙頭螺柱金相為回火索氏體組織，金相組織正常。

(3)雙頭螺柱起裂位置位于表面溝槽處，溝槽表面的氫鼓泡導(dǎo)致雙頭螺柱在張拉過程中斷裂。

(4)氫鼓泡產(chǎn)生于雙頭螺柱某制造過程中，雙頭螺柱表面的空洞、夾雜等缺陷提供了氫鼓泡的條件。