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1、高強(qiáng)度螺栓斷裂分析曾振鵬（上海交通大學(xué)高溫材料及高溫測試教冇部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200030）摘要:采用斷口分析、金相檢驗(yàn)和硬度測定等方法，對(duì)高強(qiáng)度螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析。斷口分析結(jié)果表明，斷口平坦，呈放射狀花樣，微觀形態(tài)主要為準(zhǔn)解理花樣，表明螺栓的斷裂是脆性斷裂；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在斷口附近還存在橫向內(nèi)裂紋，內(nèi)裂紋的斷口形態(tài)與斷裂斷口一樣。金相分析表明，材料棒屮存在嚴(yán)重的屮心碳偏析，而中心碳偏析是引起斷裂的主要原因。關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度螺栓；準(zhǔn)解理；橫向內(nèi)裂紋；屮心碳偏析某廠生產(chǎn)的一批規(guī)格為M30X160mm的高強(qiáng)度大六角頭螺栓，在進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷
2、裂。螺栓材料為35CrMoA,采用常規(guī)工藝生產(chǎn)，硬度要求為：35?39HRC。1檢驗(yàn)1.1材料的化學(xué)成分用VD25H讀光譜儀進(jìn)行了材料化學(xué)成分分析，分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）列于表1。從表1可以看出，材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。表1材料化學(xué)成分元累C$1MnMoCrpSCuNi含st0380.260.690.231.000.01200100.)020.059標(biāo)準(zhǔn)戲分⑴032-0400.17-0.370.40-0.700.15-0.25080-1.10<002500025725<0.30...vV1.2硬度測定便度測定結(jié)果列于表2。由表可見，螺栓
3、材料便度雖符合技術(shù)要求，但已接近上限。表2螺栓材料硬度測定結(jié)果HRC1■3技術(shù)要求39.039039.035.0^39.01.3材料的顯微組織（1）在拋光態(tài)下，可見材料屮含有較嚴(yán)重的夾雜物，英形態(tài)、分布見圖1。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)[2],夾雜物級(jí)別為3?4級(jí)。圖1夾雜物形態(tài)及分布狀況100X圖2螺栓的顯微組織280X4%硝酸酒精溶液侵蝕⑵顯微紐.織見圖2。組織為冋火馬氏體+粒狀貝氏體，并有少量鐵素體。從圖2可明顯看出，組織屮存在嚴(yán)重偏析，出現(xiàn)冋火馬氏體和粒狀貝氏體帶，致使顯微組織不均勻，而且在冋火馬氏體帶屮存在MnS夾雜。對(duì)樣品螺紋根部附近的紐.織進(jìn)
4、行了觀察，未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。1.4斷口分析(1)圖力為斷口的宏觀形貌，斷口較平坦，表面呈灰色，有明顯的撕裂脊，呈放射狀花樣，放射線從屮心向四周發(fā)射。表明裂紋先在屮心形成，然示向外擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至柴個(gè)橫截面時(shí)，螺栓斷裂。圖3斷口的宏觀形貌圖4斷口微觀形貌(2)斷口的微觀形態(tài)基木上以準(zhǔn)解理花樣為主，還有一些二次裂紋，如圖4所示。從斷口的處觀和微觀分析可知，斷裂斷「I為脆性斷I」，裂紋起源于屮心部位。裂紋產(chǎn)生麻向四周擴(kuò)展，肓至螺栓斷裂。15螺紋部位橫向內(nèi)裂紋(1)在制取金相試樣時(shí)，發(fā)現(xiàn)試樣螺紋部分至少還有1?2個(gè)垂肓軸線的橫向內(nèi)裂紋，一其縱截面
5、形態(tài)見圖5,似人的嘴形。打開內(nèi)裂紋，發(fā)現(xiàn)其面積已基木片據(jù)了幣個(gè)橫截面，其形態(tài)與斷裂斷口十分相似。圖3b為它的玄觀形貌。從斷口的宏觀形態(tài)上可以看出，裂紋面較平坦,呈灰色,有明顯的呈放射花樣的撕裂脊,放射線是從中心向四周放射的。比較圖3a和圖3b可以看出，它們的形貌是相同的。裂紋斷口的微觀形態(tài)也是以準(zhǔn)解理花樣為工加二次裂紋。斷口的宏觀、微觀分析表明，該內(nèi)裂紋斷口與斷裂斷口木質(zhì)上是一樣的。⑵將剩余部分的螺栓沿屮心縱向剖開，用10%硝酸溶液侵蝕，發(fā)現(xiàn)材料心部有嚴(yán)重的碳偏析，存在明顯的流線，見圖6。這與金相觀察結(jié)果是一致的。對(duì)存在偏析的顯微組織進(jìn)行
6、顯微硬度測定，發(fā)現(xiàn)偏析屮的冋火馬氏體區(qū)域的硬度為48.2HRC,大大高于粒狀貝氏體區(qū)域的硬度(35.5HRC)o圖5螺紋部位的橫向內(nèi)裂紋縱截面形態(tài)圖6螺栓材料內(nèi)部的碳偏析2分析與討論2.1螺栓的橫向內(nèi)裂紋化學(xué)成分分析表明，螺栓材料的化學(xué)成分符合35CrMoA鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分，其硬度也在技術(shù)要求范圍內(nèi)（但己接近上限）。但是從金相分析結(jié)果可以看出，材料的內(nèi)在質(zhì)量較羌，心部存在碳偏析，不僅降低了材料的韌性和敎性，而且由于組織不均勻，引起心部硬度不均勻，最高硬度己達(dá)48HRC。同時(shí)，材料屮存在嚴(yán)重的夾雜物，致使螺栓心部材料硬而脆，因此施加載荷示首先在
7、心部產(chǎn)生裂紋，而示形成橫向內(nèi)裂紋。所謂鋼材的碳偏析是指鋼材內(nèi)備部位含碳量的不均勻性。碳偏析是樹枝狀偏析的結(jié)果，而樹枝狀偏析又是選擇結(jié)品的結(jié)果。鋼奮結(jié)晶時(shí)，先形成枝干，然后形成枝間，先結(jié)晶的枝干比較純，碳濃度較低，而遲結(jié)晶的枝間碳濃度較高，形成碳分布不均。若鋼材或鍛件樹枝晶發(fā)達(dá)，則鋼的測性和韌性降低，這種情況尤以屮碳倂釦鋼最為普遍，在壓力加工時(shí)會(huì)形成流線，樹枝品偏析嚴(yán)車:時(shí)還可使鍛件破裂［3］。碳偏析是在冶金過程屮由于種種原因造成的。緊I古I件原材料屮的嚴(yán)重碳偏析會(huì)造成緊I古I件經(jīng)熱處理麻備部位力學(xué)性能的顯著弟異。文獻(xiàn)［4］報(bào)道，有一批某型
8、汽車上的45鋼螺栓，在使用屮連續(xù)發(fā)生斷裂事故，經(jīng)檢杳發(fā)現(xiàn)，斷裂是由心部開始，整個(gè)斷口呈放射狀脆斷形貌，將這批螺栓所用鋼材沿其軋制方向剖開，發(fā)現(xiàn)在試樣屮心存在著內(nèi)部裂紋，經(jīng)酸蝕后可看出嚴(yán)重的中心
