六角頭螺栓斷裂試驗分析
六角頭螺栓，規(guī)格為M12×120，強度8.8級，材料40Cr ，鍍黃鋅。螺栓在安裝過程中斷裂，且破斷時施擰的扭矩值很小，螺栓均斷于頭桿處。
試驗過程與結果
斷裂件表面為黃色，螺紋長度約為37mm，頭桿處斷裂，見圖13-10。
圖13-10 斷裂螺栓形貌
六角頭螺栓在靠近頭下圓角處斷裂，螺栓頭部一側斷口和桿部一側斷口均呈現月牙狀，為陳舊斷口，有紅褐色物質覆蓋，區(qū)域斷面比較平滑。
桿部一側斷口紅褐色物質較多較致密，頭部一側斷口紅褐色物質相對較少。
頭部和桿部斷口非月牙狀區(qū)域為新鮮斷口，沒有紅褐色物質，具有金屬光澤，部分區(qū)域有輕微磕碰痕跡。
桿部一側的新鮮斷口有部分塑性變形現象，見圖13-11（a、b）所示。
a a頭部斷口 b 桿部斷口
圖13-11 斷口宏觀形貌
將斷口試樣進行超聲波清洗后采用掃描電鏡中觀察：呈月牙狀區(qū)域的斷口斷面上，靠近外園的大部分區(qū)域有一層致密的小顆粒附著，顆粒物質分布比較均勻，見圖13-12。
呈月牙狀靠近中心的部分區(qū)域，其顆粒附著物較少，晶界表面有腐蝕的痕跡，見圖13-13，個別區(qū)域存在晶間裂紋，見圖13-14。
非月牙狀斷口區(qū)域，無腐蝕和顆粒附著物，微觀形貌為韌窩，韌窩大小不一，見圖13-15。
圖13-12 月牙狀區(qū)域微觀形貌 圖13-13 晶界表面腐蝕跡象
圖13-14 晶間裂紋形貌 圖13-15 斷口韌窩形貌
使用能譜儀對斷面進行成分檢測，在呈月牙狀區(qū)域斷口表面上的顆粒附著物，主要化學成分為鐵、碳、鋅、氧成分，還有少量的硅，其他成分比較少，見圖13-16。
在非月牙狀區(qū)域斷口表面的主要成分為鐵、碳、氧成分，見圖13-17。
螺栓化學成分分析，將截取段進行化學成分分析，其螺栓頭部、桿部、螺紋部分的化學成分分析結果基本相同，螺栓材料40Cr。
將斷件桿部沿軸向剖開進行硬度梯度檢測，硬度梯度從距離桿部表面0.05mm處開始，每隔0.5mm進行一個顯微硬度檢測，檢測結果為280～305HV10，硬度值比較平穩(wěn)，沒有特別的硬度跳動。
圖13-16月牙狀區(qū)域斷面成分截圖 圖13-17 非月牙狀區(qū)域斷面成分截圖
并對斷裂螺栓桿部和螺紋處進行組織檢查，組織均為均勻的回火索氏體組織，沒有明顯的脫碳和滲碳現象，見圖13- 18。
圖13-18 螺栓回火索氏體組織
分析與討論
斷口宏觀和微觀檢查，斷口兩個區(qū)域的斷裂機理不完全一樣，呈月牙狀區(qū)域的斷口氧化腐蝕比較嚴重，存在晶間裂紋，為脆性斷裂。非月牙狀區(qū)域為新鮮斷口，無銹蝕，微觀形貌主要以韌窩為主，斷裂形式為韌性斷裂。
斷口進行能譜分析，斷口呈月牙狀區(qū)域中有鋅成分存在，而非月牙狀區(qū)域沒有檢測到鋅成分，說明斷口的月牙狀區(qū)域在表面處理前已存在，鍍鋅時鍍鋅溶液深入裂紋內，未清洗干凈成為一層致密的小顆粒狀附著在裂紋面上。
該裂紋產生于表面處理前，裂紋的產生有3種情況：原材料裂紋？頭部成型裂紋？淬火裂紋？
原材料裂紋絕大多數都為縱向裂紋，個別橫向裂紋出現在原材料的料頭，有橫向裂紋的材料，投產后裂紋應出現在產品的任意部分，而不是在頭桿處。該螺栓橫向裂紋只出現在頭桿處，可排除原材料裂紋因素。
螺栓為冷鐓頭部成型，冷鐓頭部成型的裂紋基本上發(fā)生于頭部，頭部邊沿裂紋、頭部開裂等，頭部成型時不會在頭桿處形成橫向裂紋，也可排除冷鐓頭部成型在頭桿處形成橫向裂紋的因素。
該螺栓為薄頭螺栓，由于頭部厚度小，造成頭部變形較大，較大的變形使頭桿處殘余應力增大；頭桿處又是螺栓的應力集中處，在淬火冷卻時容易形成淬火裂紋。
該裂紋為橫向裂紋，并產生于螺栓應力集中的頭桿處，判定為淬火裂紋。由于該螺栓存在橫向的淬火裂紋，而且橫向淬裂紋較深，使得螺栓抗拉強度下降，導致安裝時，在不大的安裝應力作用下螺栓發(fā)生斷裂失效。
結論與啟示
（1）由于該螺栓存在淬火裂紋，使得螺栓抗拉強度下降，導致安裝時在不大的安裝應力作用下螺栓發(fā)生斷裂失效。
（2）頭部變形較大的螺栓，頭桿處殘余應力增大，頭桿處又是應力集中處，在淬火冷卻時容易形成淬火裂紋。因此，建議在熱處理前增加一次去應力退火，消除加工的殘余應力，防止在熱處理過程中應力集中處生產淬火裂紋。
浙公網安備 33042402000106號
