特種鋼螺栓使用斷裂失效分析
B7M等級螺栓,規(guī)格為1″-8×160mm，42CrMo鋼制作，表面處理為銀白色電鍍鋅，螺栓在使用過程中發(fā)生斷裂。
16.8.1 試驗過程與結果
斷裂件宏觀檢查，螺栓斷裂位置在螺紋處，斷裂處有明顯的塑性變形，見圖16-48。
圖16-48 螺栓斷裂件宏觀形貌
斷裂件斷口已銹蝕，斷面平坦，斷口附近無明顯塑性變形，但仍可分辨銹蝕之前斷口顏色呈灰色，有明顯的撕裂脊，呈放射狀花樣，放射線從中心向四周發(fā)射，見圖16-49。
圖16-49 斷口宏觀形貌
（1） 掃描電鏡觀察
（2） 對斷口采用掃描電鏡觀察： 整個斷口基本上以解理為主，還有少量韌窩，微觀形貌見圖16-50、圖16-51。
圖16-50 斷口解理形貌 圖16-51 斷口解理＋韌窩形貌
（2）低倍缺陷檢查
對螺栓橫截面試樣進行酸浸試驗，發(fā)現(xiàn)螺栓存在中心疏松，見圖16-52.
對螺栓縱截面試樣進行酸浸試驗，部分金相試樣在螺紋處的內(nèi)部至少有2個垂直軸線的橫向裂紋，見圖16-53。
打開橫向裂紋，發(fā)現(xiàn)其橫向裂紋的面積已基本占據(jù)了整個橫截面，其形態(tài)與（圖16-49所示）斷裂件斷口十分相似。
圖16-52 螺栓中心疏松 圖16-53 螺栓縱截面低倍缺陷
（3） 金相檢查
分別取螺栓縱截面和橫截面制成金相試樣，進行顯微組織檢查，組織中存在嚴重偏析，致使顯微組織不均勻，見圖16-54。
對螺栓螺紋根部附近的組織進行了觀察，未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，見圖16-55。
螺栓顯微組織為回火索氏體組織，見圖16-56
組織中含有較嚴重的夾雜物，依照《GB/T 10561-2005》標準，氧化物類夾雜物級別為粗系2.5級，其形態(tài)分布見圖16-57。
圖16-54縱向顯微組織 200× 圖16-55 螺紋根部組織 50×
圖16-56 回火索氏體組織 500× 圖16-57 夾雜物組織形態(tài) 100×
（4）硬度檢驗與材質分析
分別在螺栓的近表面、1/2半徑處、中心等處進行硬度檢測，檢測結果：
近表面硬度為323～330 HV0.3；1/2半徑處硬度為233～350 HV0.、中心處硬度為249～255 HV0.. 硬度檢測結果顯示螺栓的硬度值均勻性很差
用直讀光譜法對斷口附近的材料進行化學成分分析，分析結果，材料的化學成分符合《GB/T 3077-1999》標準42CrMo鋼的要求。
16.8.3分析與討論
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。裂紋斷口的微觀形態(tài)也是以解理形貌為主，還有少量韌窩形貌。內(nèi)裂紋斷口與斷裂件斷口的宏觀、微觀相同，擴展后螺栓斷裂，其內(nèi)裂紋斷口與斷裂件斷口相同，說明先有了內(nèi)裂紋，內(nèi)裂紋擴展最后斷裂。
螺栓材料的化學成分符合42CrMo鋼的標準成分。螺栓的硬度值均勻性很差。金相組織存在偏析；心部存在中心疏松；還有多的夾雜物，使材料的內(nèi)在質量降低，不僅降低了材料的韌性和塑性，造成螺栓內(nèi)部硬度不均勻，因此，施加載荷后首先在心部在中心疏松的地方產(chǎn)生裂紋，而后形成橫向內(nèi)裂紋。螺栓安裝后，在安裝應力作用下橫向內(nèi)裂紋不斷擴展，螺栓最后斷裂。螺栓斷裂后沒有及時發(fā)現(xiàn)，斷口遭氧化銹蝕。
螺栓材質不良，組織偏析，存在較多的夾雜物，其心部又存在原材料中心疏松，造成熱處理后硬度不均，螺栓在安裝應力作用下，裂紋先在中心形成，然后向外擴展，產(chǎn)生橫向內(nèi)裂紋，在使用中橫向內(nèi)裂紋不斷擴展，螺栓失穩(wěn)脆性斷裂。
螺栓擰緊螺母后，在螺桿上產(chǎn)生的軸向拉力分布是不均勻的，軸向力在旋合各圈螺紋牙間的分布呈雙曲余弦函數(shù)關系，第一圈螺紋牙承受的軸向力最大，然后依次減小，產(chǎn)生的橫向內(nèi)裂紋大小不一致，在使用中較大的橫向內(nèi)裂紋擴展，螺栓失穩(wěn)脆性斷裂。
16.8.3 結論與啟示
（1）由于螺栓材質不良、組織偏析、存在夾雜物、中心疏松，造成熱處理后硬度不均，使螺栓在安裝應力作用下產(chǎn)生橫向內(nèi)裂紋，橫向內(nèi)裂紋在使用中不斷擴展，最后失穩(wěn)斷裂。
（2） 加強緊固件原材料的入廠檢查和投料檢查，不合格的原材料不投產(chǎn)。
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