某螺栓斷裂原因分析

矯增田

摘 要：某螺栓在裝配時(shí)發(fā)生斷裂，從力學(xué)和材料角度對(duì)該螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析。對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行金相組織觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)以及斷口的宏觀和微觀形貌觀察，經(jīng)檢測(cè)理化指標(biāo)正常，未發(fā)現(xiàn)斷口組織明顯異常，晶界上有其它相析出，Si、Cr等元素促進(jìn)雜質(zhì)元素在晶界上偏聚從而降低了晶界的斷裂強(qiáng)度和連續(xù)性，使得外力作用下發(fā)生了宏觀無(wú)明顯塑性變形的“脆性斷裂”。

關(guān)鍵詞：螺栓;斷裂;回火脆性

中圖分類號(hào)：TG115 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）04-0107-02

1 問(wèn)題現(xiàn)象

螺栓連接是鋼結(jié)構(gòu)連接中比較常見(jiàn)的連接方式，裝卸、檢修方便，相對(duì)于焊接，其連接處不會(huì)發(fā)生相變，但是作為重要的緊固件，其失效故障發(fā)生較多，由此造成的危害也很大[1]。現(xiàn)有某螺栓M16×150 8.8級(jí)，材質(zhì)為35CrMo，表面達(dá)克羅處理，在裝配緊固時(shí)發(fā)生斷裂，裝配要求扭矩160N·m，在擰緊力矩120～130N·m時(shí)發(fā)生斷裂?，F(xiàn)分析裂紋原因。

2 宏觀和超景深顯微系統(tǒng)檢驗(yàn)

螺栓斷裂發(fā)生在距離頭部約8mm位置，宏觀觀察，外觀未見(jiàn)明顯缺陷和外力損傷現(xiàn)象;斷口面上也未見(jiàn)明顯缺陷。

斷口表面較粗糙，未見(jiàn)明顯宏觀塑性變形，且是在裝配過(guò)程中造成的斷裂，初步判斷為過(guò)載脆性斷裂，有扭轉(zhuǎn)斷裂跡象。正常情況下，斷裂不應(yīng)該發(fā)生在該位置。解剖斷裂螺栓，分別做化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試和金相分析;取該型號(hào)一新螺栓做性能測(cè)試。

3 化學(xué)成分分析

從斷裂螺栓切取試塊，進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分符合GB/T 3098.1-2010[2]要求，具體測(cè)試結(jié)果如表1所示：

4 力學(xué)性能測(cè)試

硬度測(cè)試和最小拉力載荷測(cè)試符合GB/T 3098.1-2010要求，具體測(cè)試結(jié)果如表2所示：

5 金相分析

過(guò)斷口將螺栓沿縱向軸向剖開(kāi)，做金相檢驗(yàn)，依據(jù)GB/T 10561-2005[3]，夾雜物為D1級(jí)，顯微組織為回火索氏體，組織均勻，表面無(wú)脫碳現(xiàn)象[4]，依據(jù)GB/T 6394-2017[5]，晶粒度為6級(jí)。

6 電子顯微鏡斷口觀察和能譜分析

將斷口置于電鏡下微觀觀察，可見(jiàn)晶界沉淀的分散顆粒為裂紋核所形成的細(xì)小韌窩，斷裂大部分區(qū)域?qū)儆谘鼐ыg性斷裂，起裂位置處未見(jiàn)明顯缺陷[6]。晶界上韌窩底部有夾雜物;部分晶界上有其它相析出。

用能譜儀對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行能譜分析，顯示晶界上析出物含有較多錳、鉻、硅、鋁、氧等元素。其中Si最高1.4%，Cr最高5.9%。晶界上有其他相析出，Si、Cr等元素促進(jìn)雜質(zhì)元素在晶界上偏聚從而降低了晶界的斷裂強(qiáng)度和連續(xù)性，使得外力作用下發(fā)生了宏觀無(wú)明顯塑性變形的“脆性斷裂”——實(shí)際微觀上是塑性斷裂[7]。

7 分析討論

斷裂樣品化學(xué)成分分析符合要求，力學(xué)性能測(cè)試符合要求，沖擊吸收功較好;常規(guī)金相組織分析組織較好;表面無(wú)損傷和明顯缺陷。與斷裂螺栓同批次樣品最小拉力載荷測(cè)試也符合要求。裝配擰緊力矩在規(guī)定范圍之內(nèi)就發(fā)生斷裂，且斷裂位置與正常情況下螺栓斷裂位置明顯不同。電子顯微鏡斷口分析，斷裂起源處也未見(jiàn)明顯缺陷和異常，斷口大部分區(qū)域?qū)儆谘鼐ыg性斷口，最后斷裂部分為扭轉(zhuǎn)韌性斷口。能譜分析顯示，晶界上有其他相析集，弱化了晶界斷裂強(qiáng)度和連續(xù)性，從而引起宏觀“脆性斷裂”。原因可能是由局部區(qū)域的成分偏析，回火保溫后，冷卻速度較低，雜質(zhì)元素在晶界偏聚造成的造成的第二類回火脆性引起。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬(wàn)明攀，馬瑞.GH4169螺栓斷裂失效分析及工藝改進(jìn)[J].材料熱處理技術(shù)，2012，41（6）：195-196.

[2] GB/T 3098.1-2010.緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱[S].

[3] GB/T 10561-2005.鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法評(píng)定[S].

[4] 任頌贊，葉儉，陳德華.金相分析原理及技術(shù)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2012.

[5] GB/T 6394-2017.金屬平均晶粒度測(cè)定方法評(píng)定[S].

[6] 張棟，鐘培道，陶春虎，雷祖圣.失效分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[7] 于永泗，齊民.機(jī)械工程材料[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2017.