六角頭螺栓斷裂原因

王麗娜, 于永旺, 王順花, 楊 莉, 史 偉

(1.蘭州交通大學 材料科學與工程學院, 蘭州 730070;2.蘭州蘭石檢測技術有限公司, 蘭州 730314;3.甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程研究中心, 蘭州 730314)

高強度螺栓是現代工業不可缺少的基礎性零件,螺栓斷裂往往導致十分嚴重的后果,所以對斷裂螺栓進行深入分析,發現其中潛在的危險因素,是保證產品可靠性和穩定性的有效手段[1-4]。42CrMoA鋼是磷元素和硫元素含量較低的高級優質鋼,具有良好的綜合性能,常用于制造高強度螺栓[5]。在安裝與緊固某公司生產的六角頭螺栓時,螺栓頭下圓角處發生斷裂,該螺栓材料為42CrMoA鋼,制造工藝為:鋸料→平兩端→車坯徑→烘打→頭部倒角→調質(按10.9級,淬火溫度為820 ℃,加熱時間為100 min,回火溫度為560 ℃,回火時間為170 min)→校直→滾絲→無損檢測→噴涂(主要為鋅鋁鉻涂層)→檢驗包裝。筆者采用一系列理化檢驗方法分析該六角頭螺栓斷裂的原因,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

觀察六角頭螺栓斷口,發現斷裂發生在螺栓頭下圓角處,斷裂六角頭螺栓宏觀形貌如圖1所示。整個斷面分為2個區域:A區域和B區域(見圖2)。由圖2可知:A區域覆蓋有一層較厚的銹漬,約占整個斷面的2/3,該區域還存在一處未生銹的亮白區,亮白區相對周邊稍有凹陷且緊靠螺栓頭部圓角處,最深處距離圓角邊緣約2.0 mm[見圖2a)];將銹漬清洗后發現,原生銹部分斷口較為平整,具有脆性斷口的特征,斷口人字紋向表面匯聚,該處為發生斷裂的裂紋源區[見圖2b)];B區域斷口新鮮,為安裝時瞬時斷裂形成,斷口邊緣具有明顯的塑性變形和金屬光澤的剪切唇。

圖1 斷裂六角頭螺栓宏觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

對同批次螺栓頭下圓角進行測量,測得圓角半徑為2.63 mm,參考制造規程,試樣螺栓頭下圓角半徑測量值符合要求。

1.2 化學成分分析

在斷裂面的遠離裂紋源區取樣并對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:螺栓材料符合標準GB/T 3077—2015 《合金結構鋼》對42CrMoA鋼的要求,同時其H元素含量極低,可排除氫致延遲裂紋導致開裂的可能性。

表1 斷裂螺栓化學成分分析結果 %

1.3 低倍檢驗

在螺桿斷裂面附近的橫截面截取試樣,并對其進行檢驗,依據標準GB/T 1979—2001 《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》、GB/T 226—2015 《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》進行檢驗,未發現殘余縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、軸間晶間裂紋等缺陷,結果如圖3所示。低倍組織評級結果如表2所示。由表2可知:結果均滿足GB/T 3077—2015的要求。

圖3 斷裂螺栓的低倍檢驗結果

表2 斷裂螺栓的低倍組織評級結果 級

1.4 金相檢驗

沿六角頭螺栓斷口裂紋源位置的縱截面制取試樣,在光學顯微鏡下觀察試樣,結果如圖4所示。遠離斷口處非金屬夾雜評級結果分別為A0.0、 B0.0、C0.0、D0.5、Ds0.0級[見圖4a)],斷口處非金屬夾雜物評級結果分別為A0.0、B0.0、C0.0、D0.5、Ds0.0級[見圖4b)]。對試樣進行鑲嵌、研磨、拋光,再采用4%(體積分數)的硝酸乙醇溶液腐蝕,制成金相試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,可見六角頭螺栓的顯微組織為回火索氏體(見圖5),奧氏體晶粒度為8.0級。對斷裂源區表面進行脫碳檢驗,未發現脫碳現象(見圖6)。金相檢驗結果顯示斷裂螺栓沒有異常組織、晶粒粗大、未熔鐵素體、魏氏體及脫碳層,說明在螺栓的熱處理過程中,不存在過熱、欠熱、脫碳及氧化等異?，F象。

圖4 遠離斷口及斷口處非金屬夾雜物微觀形貌

圖5 螺栓斷裂面和心部顯微組織形貌

圖6 斷裂源區表面顯微組織形貌

1.5 力學性能測試

在螺桿的螺紋部位以上取樣,并對其進行力學性能測試,參考Q/HZJ 010001—2019 《中國海裝企業技術標準》對42CrMoA鋼的要求進行對比分析。取樣后分別按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》、GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗方法》、GB/T 229—2007 《金屬材料 夏比沖擊試驗方法》進行硬度測試、拉伸試驗和沖擊試驗,結果如表3～5所示。由表3～5可知:斷裂螺栓的力學性能均符合標準要求。

表3 斷裂螺栓的硬度測試結果

表4 斷裂螺栓的室溫拉伸試驗結果

表5 斷裂螺栓的沖擊試驗結果 J

1.6 掃描電鏡(SEM)和能譜分析

利用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌,結果如圖7所示。由圖7可知:未清洗銹漬前,生銹部位與未生銹部位的裂紋走向不一致,說明斷裂分兩次形成;清洗銹漬后,A區域呈匯聚的河流花紋走向,并最終匯聚到裂紋源區,而該區域正是斷口宏觀亮白區,河流花樣在亮白區邊緣中斷,裂紋擴展區斷口平齊、具有脆性斷裂特征;B區域斷口上存在較多的扁平韌窩,具有韌性斷口特征。

圖7 斷裂螺栓斷口SEM形貌

首先對銹漬清洗前斷口表面進行能譜分析,結果如圖8所示。由圖8可知:斷口A區域表面為鐵銹,主要成分為O元素與Fe元素;生銹區域的亮白區中含有較多Al、Zn、O等元素,這與六角頭螺栓達克羅處理時噴涂液中的元素一致;清洗銹漬后亮白區的化學成分主要為O元素與Fe元素;B區域未發現Al、Zn、O等元素。

圖8 斷口表面能譜分析結果

2 綜合分析

六角頭螺栓分兩次斷裂,生銹區域的開裂在安裝前就已發生。生銹區域斷口上存在近圓形亮白區,且有向下凹陷的趨勢,應為螺栓冶金缺陷,清洗后亮白區呈黑灰色,具有氧化物特征;生銹斷口清洗后表面平整,具有脆性斷裂特征,符合淬火裂紋特征;新鮮斷口則是在扭矩扳手的作用下,無法承受外加應力產生的[6-7]。

斷裂螺栓的化學成分符合相關標準要求。低倍檢驗未發現殘余縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、軸間晶間裂紋等缺陷。金相檢驗未發現異常組織、晶粒粗大、未熔鐵素體、魏氏體及脫碳層,說明在熱處理過程中不存在過熱、欠熱、脫碳及氧化現象。力學性能測試結果均滿足標準要求。

近圓形亮白區為裂紋源,裂紋沿亮白區邊緣向四周擴展,形成A區域,A區域在放置過程中生銹,清洗斷口后發現該區域具有脆性斷口特征;B區域斷口上存在較多的韌窩,使螺栓在安裝過程中受力而斷裂。

A區域的亮白區上存在較多的Al、Zn、O等元素,這些元素與六角頭螺栓達克羅處理過程中噴涂液含有的主要元素一致,說明在進行達克羅處理前,亮白區的凹坑缺陷已存在,且該處經清洗后存在氧化物,凹坑缺陷在調質之前就存在,為材料冶金缺陷。

綜上所述,六角頭螺栓斷裂分兩次完成:A區域是由于頭部拐角處本來就存在冶金缺陷,在淬火時,亮白區的冶金缺陷邊緣作為裂紋源發生了淬火開裂,即形成淬火裂紋,經達克羅處理后,其耐腐蝕性能大幅提升[8],由于缺陷處為凹坑,故噴涂液停留在凹坑內,該處未生銹;B區域則是在安裝過程中,由于螺栓已存在裂紋,故在螺栓緊固時,螺栓頭部連接部分無法承受外加應力并最終斷裂。

3 結論及建議

六角頭螺栓頭下圓角半徑處存在缺陷,導致淬火過程中螺栓產生淬火裂紋。在無損檢測時,未發現該裂紋,在安裝過程中,螺栓因無法承受預緊載荷而發生過載斷裂。建議加強螺栓的無損檢測工作,優化生產工藝流程,避免該類事件再次發生。