20Cr13螺栓斷裂原因分析

■ 徐宋娟，洪媛媛，馬芳，顏明禮，馬方園

20Cr13鋼屬于馬氏體不銹鋼，淬火后經(jīng)高溫回火處理，該鋼具有良好的抗弱腐蝕介質(zhì)能力和綜合力學(xué)性能，因而被廣泛應(yīng)用于航空、航天以及船舶等各領(lǐng)域，其中也應(yīng)用于航天緊固件產(chǎn)品。開槽圓柱頭螺栓，材料牌號為20Cr13，在成檢前發(fā)現(xiàn)5件桿部存在軸向裂紋，此批螺栓共計(jì)366件，現(xiàn)對其中1件開裂螺栓進(jìn)行原因分析。該批零件由規(guī)格為φ20mm的20Cr13棒材加工制造，其生產(chǎn)工藝流程為：車→銑→鉗→熱處理→磨→滾壓螺紋→清洗→表面處理→試驗(yàn)→成檢。

1. 試驗(yàn)過程與結(jié)果

（1）宏觀檢查 開槽圓柱頭螺栓開裂宏觀形貌如圖1所示，可見螺栓表面裂紋沿軸向分布，較平直，裂紋從頭部臺階處到螺紋端頭，總長約35.1mm，肉眼觀察，裂紋深度較淺，螺栓外表面未見明顯機(jī)械損傷。

（2）金相檢查 由于螺栓較長，分段截取進(jìn)行鑲嵌試樣。截取開裂螺栓桿部縱截面、橫截面進(jìn)行金相檢查，宏觀形貌如圖2所示。根據(jù)GB/T10561試驗(yàn)方法，對開裂螺栓桿部縱截面進(jìn)行非金屬夾雜評級，A類0.5級，B類2級，C類0級，D類0級，DS0級。經(jīng)4%硝酸酒精水溶液腐蝕后，螺栓頭部發(fā)現(xiàn)尺寸約長4.9mm、寬0.6mm的條帶區(qū)域（見圖2），沿軸向分布，內(nèi)部為晶粒清晰的等軸晶（見圖3），明顯區(qū)別于基體，且對應(yīng)于開裂位置的延伸線。橫向截取開裂螺栓螺紋處腐蝕后，開裂位置未見脫碳現(xiàn)象（見圖4），條帶區(qū)深約0.3mm?；w組織為回火索氏體組織（見圖5）。

（3）能譜分析 分別對圖3中基體和條帶區(qū)域進(jìn)行能譜成分分析（EDS），表1為兩區(qū)域能譜成分的半定量分析數(shù)據(jù)。

可以看出，基體主要成分為Fe（84.27%）、Cr（13.70%）、Si等元素，主要成分符合Cr13型不銹鋼要求。條帶區(qū)域主要成分為Fe（97.05%）、Cr（1.29%）、Si等元素，但Fe、Cr元素明顯區(qū)別于基體成分。

（4）硬度測試 分別對異常條帶區(qū)域及基體進(jìn)行顯微硬度測試，測試結(jié)果如表2所示。螺栓硬度滿足設(shè)計(jì)要求（26～28.5HRC），偏下限，條帶區(qū)域的硬度明顯偏低。

圖1 開槽圓柱頭螺栓開裂宏觀形貌

圖2 開裂螺栓桿部截面宏觀形貌

2. 開裂原因分析

對螺栓橫、縱截面金相檢查表明，開裂位置存在沿軸向分布條帶缺陷。對條帶缺陷及正常位置進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果表明條帶缺陷區(qū)域能譜成分明顯區(qū)別于基體成分。雖然能譜分析誤差較大，通常適用于定性分析，不適合精確的定量分析，但已能夠說明問題。從顯微硬度結(jié)果表明條帶區(qū)域硬度明顯低于基體，從而說明兩者存在明顯區(qū)別。從金相組織看缺陷部位的組織與基體組織明顯不同，正?；w為回火索氏體組織，而缺陷位置組織為等軸晶，且具有金屬特征。條帶異常區(qū)域周圍未見脫碳現(xiàn)象，未見非金屬夾雜物聚集現(xiàn)象，故綜合分析認(rèn)為條帶區(qū)域是異金屬夾雜。

經(jīng)了解，此原材料棒材為電渣鋼，在冶煉過程中合金料未完全熔化，或者不慎混入其他未熔化金屬均有可能形成異金屬夾雜，微觀上表現(xiàn)為異金屬部位組織與基體組織有明顯的界線，且自身的硬度與基體的硬度存在明顯差異。綜合分析認(rèn)為此缺陷應(yīng)是材料電渣熔煉過程中有異金屬混入所致。由于該缺陷沿軸向分布，破壞了螺栓整體組織的完整性，降低了金屬的塑性和強(qiáng)度，且位于零件表面，在后續(xù)機(jī)加工過程中因強(qiáng)度不足造成表面開裂。

圖3 開裂螺栓縱截面形貌

圖4 開裂螺栓橫截面形貌

圖5 螺栓正常位置組織

表1 螺栓基體及條帶區(qū)域能譜成分結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 顯微硬度測試結(jié)果

3. 結(jié)語

通過以上分析得出，原材料異金屬夾雜導(dǎo)致開槽圓柱頭螺栓在機(jī)加過程中開裂；對于本批已生產(chǎn)的零件：螺栓表面開裂的直接剔除，其余螺栓建議采用X射線等無損檢測手段進(jìn)行挑選；而對于車間剩余未加工的建議嚴(yán)格原材料檢測，進(jìn)而確定能否使用。為了盡可能降低此批原材料中的異金屬夾雜，應(yīng)該從冶煉抓起，建議聯(lián)系廠家，提高冶煉技術(shù)，保障供應(yīng)合格的原材料。

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