30CrMnSiNi2A螺栓脆性斷裂問題研究

楊志丹，顧皞，張國勝，鄧春

（1．海軍駐北京地區(qū)特種導(dǎo)彈專業(yè)軍事代表室；2．首都航天機(jī)械公司；3.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 10076）

1 概述

緊固螺栓斷裂是工程中常見的問題，也是一些惡性事故的元兇，必須解決關(guān)鍵、重要的產(chǎn)品上緊固螺栓斷裂問題。工程中通過抽檢試驗(yàn)等方式進(jìn)行緊固螺栓可靠性驗(yàn)證。30CrMnSiNi2A材料緊固螺栓是一種高強(qiáng)度的螺栓。在拉伸載荷試驗(yàn)時(shí)，有部分緊固螺栓加載197～200kN（螺紋M14×1.25），帶載20～56小時(shí)時(shí)發(fā)生斷裂。因?yàn)樵趯?shí)際工作中，該螺栓需承受長時(shí)間的拉力載荷，若緊固螺栓的帶載時(shí)發(fā)生斷裂，將對(duì)產(chǎn)品造成隱患。

2 問題分析

2.1 初步分析

經(jīng)對(duì)緊固螺栓進(jìn)行觀察，螺栓斷裂位置位于螺帽根部，螺帽斷為兩部分，斷口附近未見腐蝕及變形痕跡；其余螺栓斷裂位置均位于載荷較大螺紋根部，斷口附近未見腐蝕及變形痕跡。

體視顯微鏡下觀察，螺帽根部斷裂的螺栓斷口源區(qū)位于螺帽根部表面，大載荷螺紋根部斷裂螺栓的斷口源區(qū)位于螺紋根部表面，源區(qū)均未見材料缺陷及機(jī)械損傷痕跡，擴(kuò)展區(qū)呈放射狀，終斷區(qū)存在剪切唇。經(jīng)分析認(rèn)為，三件螺栓斷口具有脆性斷裂特征。

2.2 建立問題分析樹

根據(jù)分析結(jié)果，以緊固螺栓頭部脆性斷裂為頂事件，建立問題分析樹如下（圖1）。

圖1 緊固螺栓脆性斷裂問題分析樹

2.3 故障樹排查

經(jīng)產(chǎn)品原材料化學(xué)成分檢測，原材料C含量、氫含量及其它化學(xué)成分結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求X1、X2；經(jīng)分析緊固螺栓加工過程中無引入氫環(huán)節(jié)X3；經(jīng)磁力探傷檢測，表面沒有裂紋，符合要求X4；隨機(jī)挑選多件緊固螺栓對(duì)R角進(jìn)行檢測，結(jié)果符合要求X5。

2.3.1 熱處理產(chǎn)生回火脆性X6

試件的回火溫度為346～350℃，雖然產(chǎn)品回火后經(jīng)力學(xué)性能檢測合格（σb=1660/1670，σ0.2=1410/1380，δ5=12/11）。通過分析問題機(jī)理，回火脆性主要應(yīng)對(duì)沖擊載荷與沖擊斷口進(jìn)行觀察來判斷。

抽取同批次緊固螺栓進(jìn)行沖擊功檢測與斷口形貌觀察。經(jīng)檢測，沖擊功分別為25.40J、28.38J、32.08J，沖擊功偏低。

沖擊斷口形貌，結(jié)果為沿晶+解理+韌窩的混合斷口形貌。

上述分析說明熱處理產(chǎn)生回火脆性的可能性不能排除。

2.3.2 真空鍍覆氮化鈦（TiN）過程溫度過高產(chǎn)生回火脆性X7

緊固螺栓表面為真空鍍覆氮化鈦處理，經(jīng)歷兩個(gè)熱過程。第一個(gè)熱過程是前處理過程中，使用酒精+金剛砂對(duì)零件進(jìn)行手工打磨，除去零件表面的氧化層，然后進(jìn)行烘干，烘干過程的工作溫度為60～80℃，遠(yuǎn)低于零件回火溫度。第二個(gè)熱過程是在真空鍍覆氮化鈦過程中，為多弧離子鍍控溫工藝，溫度控制在160℃，整個(gè)過程共持續(xù)40～50min。真空鍍氮化鈦工藝過程的溫度均遠(yuǎn)低于回火溫度。

3 斷裂原因及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 斷裂原因

30CrMnSiNi2A材料淬火后，組織由高溫時(shí)的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀馬氏體和殘余奧氏體，殘余奧氏體存在于馬氏體板條之間，呈薄膜狀。該薄膜存在對(duì)于材料韌性有利，因?yàn)閵W氏體容易變形，在外力作用下，馬氏體板條邊界的殘余奧氏體產(chǎn)生塑性形變，使馬氏體板條界面處因位錯(cuò)堆積而產(chǎn)生的應(yīng)力集中得到松弛,從而防止了裂紋的形成，從而提高鋼的斷裂韌性。在350～550℃進(jìn)行回火時(shí)，殘余奧氏體分解為Fe3C薄膜，由于Fe3C薄膜屬于脆性組織，導(dǎo)致金屬斷裂時(shí)沿著馬氏體板條斷裂，表現(xiàn)為沿晶斷裂的特征，使得金屬韌性降低，應(yīng)出現(xiàn)了明顯的回火脆性（附錄1、2）。鑒于本批產(chǎn)品的回火溫度為346～350℃，同時(shí)沖擊斷口存在沿晶形貌，說明在346～350℃回火參數(shù)條件下，材料已進(jìn)入或臨近回火脆性區(qū)，回火脆性應(yīng)是導(dǎo)致問題的根本原因。

在進(jìn)行螺栓拉伸試驗(yàn)時(shí)，螺栓整體受軸向拉應(yīng)力，由于螺栓頭根部及螺紋處存在應(yīng)力集中，隨著拉力的不斷增大，應(yīng)力集中更加嚴(yán)重。當(dāng)拉力達(dá)到材料極限時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域最先萌生裂紋并擴(kuò)展。由于材料的回火脆性，韌性下降、晶界弱化，造成緊固螺栓頭的R角處及螺紋根部等應(yīng)力集中區(qū)域?qū)涓用舾?，?duì)產(chǎn)品材料本身所含氫元素的聚集有促進(jìn)作用，隨著時(shí)間推移，易形成氫富集區(qū)域，造成氫致?lián)p傷，導(dǎo)致脆性斷裂。斷口呈現(xiàn)脆性，表現(xiàn)為沿晶開裂和解理形貌。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述分析結(jié)論，進(jìn)行回火溫度對(duì)材料力學(xué)性能、沖擊性能與微觀組織的影響試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果看，隨著回火溫度的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度變化不明顯。在320℃回火時(shí)沖擊功保持在41～49J，但在350℃回火時(shí)沖擊功降至25～33J，說明韌性明顯減低，脆性迅速提高。通過斷口形貌分析，拉伸試樣斷口均為韌窩形貌，而沖擊試樣在350℃時(shí)開始出現(xiàn)明顯的沿晶斷裂形貌。說明隨著回火溫度的升高，在沖擊試樣上試件表現(xiàn)出回火脆性敏感，而拉伸試樣對(duì)于回火脆性不敏感。

4 措施及驗(yàn)證

針對(duì)上述分析及試驗(yàn)，將批產(chǎn)產(chǎn)品熱處理回火溫度控制在250～300℃范圍內(nèi)，實(shí)際采用回火溫度為280℃，保溫3h，隨爐冷卻。熱處理后隨機(jī)抽取20件對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，帶載保持72小時(shí)均未出現(xiàn)斷裂情況，消除了脆性斷裂的隱患，提高了可靠性。

5 結(jié)語

通過對(duì)緊固螺栓斷裂問題的故障樹建立、問題的理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，說明了確定合理的回火溫度能夠有效控制回火脆性、消除脆性斷裂。