42CrMo鋼高強度螺栓軸向開裂失效分析

滕 巍, 梁 博, 孫曉庭, 丁志敏

(1. 中車大連機車車輛有限公司, 大連 116022; 2. 大連交通大學, 大連 116000)

42CrMo鋼高強度螺栓軸向開裂失效分析

滕 巍1, 梁 博1, 孫曉庭1, 丁志敏2

(1. 中車大連機車車輛有限公司, 大連 116022; 2. 大連交通大學, 大連 116000)

某8.8級42CrMo鋼高強度螺栓，在熱處理后滾絲過程中發(fā)生軸向開裂。利用化學成分分析、宏觀檢驗以及金相檢驗等方法對螺栓開裂原因進行了分析。結果表明：螺栓開裂主要是因為其原材料表面存在呈線狀分布的鍛造折疊缺陷，折疊缺陷末端形成應力集中，在熱處理淬火時成為了裂紋源，于強大的淬火應力和滾壓應力作用下誘發(fā)了螺栓軸向開裂。

高強度螺栓；軸向開裂；鍛造折疊缺陷；應力集中；淬火開裂

某單位生產(chǎn)的規(guī)格為M16 mm×70 mm的8.8級高強度螺栓為一種大批量生產(chǎn)的標準件。近日，在批量的滾絲生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)有個別螺栓發(fā)生軸向開裂，如圖1所示。該螺栓材料為42CrMo鋼，生產(chǎn)工藝流程為：下料→墩頭→退火→調質→精加工→滾絲。筆者對軸向開裂螺栓進行了檢驗和分析，以期查明其開裂原因，為采取有效預防措施、避免類似質量問題的再發(fā)生提供參考。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

對開裂螺栓取樣進行化學成分分析，結果見表1，可見各元素含量均符合GB/T 3077-2015《合金結構鋼》對42CrMo鋼成分的技術要求。

圖1 開裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the cracked bolt

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1.2 宏觀檢驗

將開裂的螺栓沿縱向裂紋打開后其宏觀形貌如圖2所示，可見斷口表面覆蓋黑色氧化皮，斷裂微觀形貌基本已無法辨別，但宏觀上依舊可判別裂紋的走向，裂紋從六角頭頂部及螺栓桿部表面呈一定弧度向基體擴展，兩個方向擴展的裂紋在六角頭內(nèi)部近表面區(qū)域發(fā)生交匯，如圖2中箭頭所指。

1.3 非金屬夾雜物檢驗

從開裂的螺栓上截取縱向試樣(取樣部位如圖1所示)，經(jīng)鑲嵌、磨拋后進行非金屬夾雜物檢驗。依據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》，非金屬夾雜物含量檢驗結果如下：A1.5，B0.5，C0.5，D0。

圖2 螺栓斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture of the bolt

1.4 金相檢驗

從開裂螺栓裂紋部位切取橫向試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后在光學顯微鏡下觀察，圖3為裂紋開口處形貌，可見裂紋由表面向內(nèi)部擴展，并呈現(xiàn)沿晶擴展特征，裂紋內(nèi)部有氧化物。侵蝕后再觀察，裂紋兩側未見明顯的氧化脫碳現(xiàn)象，不具有鍛造折疊裂紋的特征，與淬火裂紋相似。

圖4為螺栓基體顯微組織形貌，為正常的回火索氏體，晶粒度依據(jù)GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》評定為7～8級。

在螺栓六角頭頂部取樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后在光學顯微鏡下觀察，圖5為六角頭頂部拋光態(tài)形貌，可見深約70 μm的二次裂紋，與金屬表面呈銳角，裂紋兩側存在高溫氧化質點及內(nèi)氧化，侵蝕后進行觀察，有氧化脫碳現(xiàn)象，具有鍛造折疊的特征[1]。

圖3 螺栓裂紋形貌Fig.3 Crack morphology of the bolt: (a) polished state morphology; (b) morphology of crack intergranular propagation;(c) morphology of two sides of the crack

圖4 螺栓基體顯微組織形貌Fig.4 Matrix microstructure morphology of the bolt

圖5 螺栓六角頭頂部折疊形貌Fig.5 Folding morphology of the bolt hexagon head: (a) polished state morphology; (b) morphology after etching

由于螺栓桿部及螺紋部位調質處理后進行了機加工，故其裂紋源信息已被破壞，無法進行有效的判別，但根據(jù)螺栓斷口形貌及六角頭頂部的顯微形貌大致可以推測，該螺栓在鍛造過程中六角頭頂部及桿部均存在較淺的折疊類缺陷，由于缺陷在調質處理過程中未能去除，故而在淬火應力下發(fā)生開裂，裂紋分別由六角頭頂部和桿部同時萌生并向基體擴展，由于存在兩個方向形成的裂紋，在裂紋擴展過程中必然會存在交匯區(qū)域。螺栓的斷口形貌及金相形貌證實了這一觀點。

2 分析與討論

從以上理化檢驗結果可知，該螺栓的化學成分符合標準技術要術，鋼中的非金屬夾雜物含量較低，這表明該螺栓材料的潔凈度較好；螺栓基體顯微組織為正常的回火索氏體，晶粒度為7～8級，表明該螺栓調質熱處理工藝正常。該螺栓的生產(chǎn)流程已經(jīng)定型，為成熟工藝。同批次熱處理的螺栓共有7 000個左右，僅發(fā)現(xiàn)6個螺栓發(fā)生了軸向開裂，開裂比例很低，屬于偶然失效，可以排除螺栓的淬裂是由于熱處理工藝和熱處理操作等因素造成的。裂紋通常起源于零件的應力集中處，或在各種工藝過程中所造成的材料缺陷處[2]。而材料缺陷形成應力集中引起的裂紋一般起源于材料的折疊、拉痕、偏析等缺陷處[3-4]。鍛造折疊和微裂紋同屬于應力集中敏感區(qū)域，容易誘發(fā)熱處理開裂。該螺栓表面裂紋為軸向擴展，幾乎呈直線狀，開裂起源于螺栓表面，裂紋邊上的小裂紋周圍存在脫碳現(xiàn)象，尾端圓鈍，具有鍛造折疊特征，折疊的末端為應力集中點，往往在熱處理淬火時引發(fā)開裂[5-6]。該螺栓原材料下料時為φ17 mm的棒材，在棒材拉拔過程中，原材料上的鍛造折疊缺陷沿軸向伸長變形，在淬火應力和折疊裂紋引起的應力集中效應的雙重作用下形成淬火裂紋，導致螺栓在后續(xù)的加工過程中發(fā)生軸向開裂[7-8]。

3 結論

螺栓軸向開裂與材料本身存在折疊缺陷有關；該螺栓在熱處理前其表面即已存在呈線狀分布的鍛造折疊缺陷，折疊缺陷末端為應力集中敏感區(qū)域，在淬火熱處理時成為了裂紋源，于強大的淬火應力和滾壓應力作用下誘發(fā)了軸向開裂。

[1] 向清然.淺析模具鍛造件中折疊缺陷成因[J].科技致富向導,2011(1):51.

[2] 王兆希,郭宏梅,張小亮,等.電站穩(wěn)壓器支承裙座錨固螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(10):747-750.

[3] 黃麗榮.40Cr鋼螺母斷裂失效分析[J].熱加工工藝,2009,38(8):158-161.

[4] 陳南平.機械零件失效分析[M].北京:清華大學出版社,1988.

[5] 任頌贊.鋼鐵金相圖譜[M].上海:上?？茖W技術文獻出版社,2003.

[6] 孫盛玉,戴雅康.熱處理裂紋分析圖譜[M].大連:大連出版社,2002.

[7] 王榮.高強度螺栓表面開裂原因分析[J].物理測試,2010,28(4):37-41.

[8] 溫愛玲,路文娟,王生武.35CrMo螺栓斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(9):674-676.

Failure Analysis on Axial Cracking of a 42CrMo Steel High Strength Bolt

TENG Wei1, LIANG Bo1, SUN Xiao-ting1, DING Zhi-min2

(1. CRRC Dalian Co., Ltd., Dalian 116022, China; 2. Dalian Jiaotong University, Dalian 116000, China)

A 8.8 grade high strength bolt made from 42CrMo steel cracked along the axis during thread rolling process after heat treatment and the cracking causes of the bolt were analyzed by means of chemical composition analysis, macro examination and metallographic examination. The results show that the cracking of the bolt was mainly due to that there was linear distribution forging fold defect in the raw material surface before heat treatment. And the forging fold defect caused stress concentration and became a cracking source when quenching, which induced the axial cracking of the bolt under the action of powerful quenching stress and rolling stress.

high strength bolt; axial cracking; forging fold defect; stress concentration; quenching cracking

10.11973/lhjy-wl201704016

2016-03-15

滕 巍(1985-)，女，工程師，學士，主要從事金屬材料檢測和分析工作。

梁 博(1988-)，女，助理工程師，碩士，主要從事質量控制工作，liangbo3_14@126.com。

TG115.21

B

1001-4012(2017)04-0296-03

質量控制與失敗分析