一種高強度螺栓裂紋分析

李暉榕

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

1 前言

螺栓主要用于緊固和連接，對于一些高標準組合件的質量和性能要求尤為重要，如航空工業、特種設備行業、特殊制造業等等。在對一種高強度螺栓熱處理后進行表面磁粉檢測后，發現其中有兩件螺栓出現裂紋，再通過低倍觀察發現（如圖1），裂紋沿螺栓的軸向分布，裂紋在螺栓表面分布平直，裂紋深度1.2mm左右。螺栓材料為30CrMnSiA合金結構鋼，螺栓的生產工藝為：棒料→淬回火[1]→探傷→機械加工→檢驗，螺栓淬回火既能保證表面耐磨性和強度，也能保證韌性和塑性。

文中通過對30CrMnSiA螺栓的化學成分、非金屬夾雜、金相組織、脫碳層深度、硬度檢測等方法進行研究，分析其開裂原因，并提出預防和改進措施。

圖1 有裂紋螺栓宏觀形貌

2 實驗過程與結果分析

2.1 化學成分分析

對裂紋螺栓取樣進行化學成分分析，分析結果見表1。結果表明，其化學成分符合GB/T 3077—2015《合金結構鋼》的要求。

表1 螺栓化學成分（質量分數，%）

2.2 硬度分析

選取合格工件和存在裂紋工件進行硬度檢測分析，結果見表2。結果表明，合格螺栓的硬度在HRC 33.0～34.5HRC之間，裂紋螺栓基體硬度同樣在HRC 32.0～35.0HRC之間，均滿足HRC30.0～36.0HRC的技術要求；但在裂紋區附近的硬度僅為HRC26.0～33.5HRC之間，表明裂紋區附近基體的硬度不符合要求。

表2 螺栓硬度檢測（HRC）

2.3 裂紋形貌及非金屬夾雜物分析

在螺栓裂紋附近進行取樣，經拋光處理后，進行非金屬夾雜物顯微組織觀察。從圖2可知，裂紋從表層到芯部呈現漏斗狀，表層裂紋平直，但芯部裂紋出現曲折、分叉，同時裂紋內部發現有部分游離狀氧化物存在。

螺栓基體中未發現有非金屬夾雜物，但裂紋邊緣3μm～5μm范圍出現有點狀物存在。

圖2 螺栓裂紋形貌及非金屬夾雜物組織

2.4 脫碳層深度和顯微組織分析

對裂紋螺栓試樣拋光后用4%的硝酸酒精腐蝕，進行金相顯微組織觀察，結果如圖3和圖4所示。從圖3可知，表層脫碳層厚度約100μm，隨著裂紋深度的增加脫碳層厚度減小為5μm左右，直至消失，在裂紋根部兩側未發現脫碳層，表明脫碳層厚度沿著裂紋擴展深度的增加而逐漸減少；說明在淬火過程裂紋沿原始裂紋方向逐漸擴展[2]。隨著深度增加，裂紋寬度逐漸減小，表面與芯部裂紋之間的吻合性較差，同時，在試樣其他正常部位也發現有脫碳層存在，厚度約25μm左右，認為淬火前裂紋已經存在。

圖3 螺栓試樣脫碳層

從圖4可知，螺栓的顯微組織為：保持馬氏體位向的回火索氏體。符合30CrMnSiA材料正常的淬火+高溫回火組織，說明熱處理過程與結果滿足要求。

圖4 螺栓顯微組織

2.5 失效分析

根據上述分析結果，表1所示的化學成分符合標準的要求；表2裂紋區附近的硬度分布不均勻，硬度在26.0HRC～33.5HRC之間，不符合30.0HRC～36.0HRC的要求（基體硬度為32.0HRC～35.0HRC，符合要求），說明在裂紋區附近材料組織不均勻，從而造成局部硬度不均。

從圖3中螺栓的裂紋形貌及非金屬夾雜物觀察顯示，裂紋從表層到芯部寬度不等，裂紋吻合性差，裂紋中間有氧化物等；同時，裂紋邊緣有明顯脫碳現象，脫碳層厚度隨裂紋深度的增加逐漸減少。從圖4結果可知，基體組織為回火索氏體，為螺栓30CrMnSiA材料正常的高溫回火組織。

通過上述分析認為，螺栓在熱處理前已經存在裂紋，淬火過程并未產生新的裂紋，但促使原始裂紋擴大并往芯部擴展，最終形成宏觀裂紋。

3 結論及建議

螺栓材料中的原始裂紋為裂紋源，在熱處理過程中原始裂紋進一步擴展，形成宏觀裂紋。因此在生產過程中應嚴格控制原材料質量及來料驗收，同時，嚴格控制生產過程各個環節，避免因材料缺陷和生產監管缺失造成重大質量和安全問題。