薄頭內(nèi)六角螺釘頭桿結(jié)合處失效分析

沈加元 王春斌 陳荷云

摘 要：薄頭內(nèi)六角螺釘進(jìn)行緊固過程中發(fā)生斷裂失效，斷裂發(fā)生在頭桿結(jié)合處。采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、金相分析等方法對螺釘斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：螺釘斷裂主要原因是螺釘生產(chǎn)用模具設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致生產(chǎn)過程中頭桿結(jié)合處產(chǎn)生撕裂，形成薄弱處，性能無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求而產(chǎn)生失效。

關(guān)鍵詞：內(nèi)六角螺釘;不銹鋼;斷裂;模具

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.018

0 背景

對于內(nèi)六角系列螺釘，在保證足夠槽深的基礎(chǔ)上，其內(nèi)六角底部與螺釘下承面頭桿結(jié)合處間距較小，形成相對薄弱區(qū)，如果材料、孔深、制造過程等控制不當(dāng)，易在頭桿結(jié)合處產(chǎn)生失效;更嚴(yán)重者，尚未達(dá)到螺釘標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度即產(chǎn)生失效。此規(guī)格螺釘為薄頭內(nèi)六角螺釘，其頭部高度相對于普通內(nèi)六角螺釘頭部高度更小，內(nèi)六角底部與下承面之間余量也更小，因此其頭桿結(jié)合處失效風(fēng)險(xiǎn)更大。該失效螺釘材質(zhì)為304奧氏體鋼，規(guī)格為M10X25mm，現(xiàn)奧氏體內(nèi)六角螺釘制造工藝一般為：原材料冷抽硬化—冷鐓成型—研磨—螺紋碾制—洗光[1]，有別于傳統(tǒng)切削加工方式可直接控制其外形尺寸，冷鐓成型方式需通過模具設(shè)計(jì)間接控制其產(chǎn)品尺寸，因此模具設(shè)計(jì)及調(diào)整成為控制產(chǎn)品質(zhì)量重要一環(huán)。

1 宏觀分析

1.1 整體宏觀形態(tài)

失效螺釘整體宏觀形貌見圖1，可見螺釘表面呈金屬本色，金屬表面未有涂覆層，斷裂位置在頭桿結(jié)合處，斷口完整未見腐蝕痕跡。失效件螺紋有明顯使用痕跡、未見銹蝕現(xiàn)象，螺紋處未見斷裂起源區(qū)，可見斷裂起源于頭桿結(jié)合處[2]。

1.2 低倍鏡下斷口宏觀形貌

將失效樣品置于低倍鏡下觀察斷口宏觀形態(tài)，圖2、圖3為失效螺釘頭部及桿部斷裂位置圖片，發(fā)現(xiàn)頭部及桿部斷面均有兩種形態(tài)，且能重合復(fù)原。

圖2所示a）區(qū)域占約整個(gè)頭部斷面2/3區(qū)域，有明顯環(huán)狀溝槽，有金屬片狀剝離現(xiàn)象，a）區(qū)域內(nèi)有明顯層疊紋路及階梯狀裂紋。b）區(qū)約占頭部斷面1/3，斷面較為平坦，斷面具有顆粒感。斷裂起于與a）區(qū)與b）區(qū)交界處，呈逆時(shí)針方向擴(kuò)展條紋，為典型扭轉(zhuǎn)拉伸應(yīng)力下斷裂面[3]。

圖3所示桿部斷面c）區(qū)約占桿部斷面2/3，區(qū)域內(nèi)有明顯層疊紋路及階梯狀裂紋，斷面較光滑，且有縱向紋路，有金屬片狀剝離，與a）區(qū)能重合。斷口d）區(qū)約占桿部斷面1/3區(qū)域，斷面較為平坦，無斷層，斷面具有顆粒感，與b）區(qū)重合。

2 化學(xué)成分分析

在斷裂螺釘桿部截取試樣進(jìn)行光譜檢測，對試樣進(jìn)行清洗、干燥、打磨后，采用斯派克LAVFA08A臺式直讀式光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢姼黜?xiàng)元素含量均符合GB/T 4356-2016《不銹鋼盤條》中關(guān)于S30408鋼的規(guī)定。

3 金相分析

3.1 低倍鏡下橫截面形態(tài)

截取斷裂螺釘斷口附近橫截面，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后置于低倍鏡下觀察，見圖4，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。

3.2 橫截面金相分析

截取斷裂螺釘斷口附近橫截面，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、60%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸溶液進(jìn)行電解腐蝕后，置于蔡司Axio Imager.A1m金相顯微鏡下觀察，其金相顯微組織見圖5，呈現(xiàn)均勻奧氏體組織。

3.3 非金屬夾雜分析

取金相試樣置于蔡司Axio Imager.A1m金相顯微鏡下觀察，圖6所示為試樣非金屬夾雜物形態(tài)，依據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》對比判定，試樣中非金屬夾雜主要為B類細(xì)系1.5級，該非金屬夾雜并不影響開裂。

4 綜合分析

依據(jù)以上檢驗(yàn)結(jié)果可知：失效螺釘化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果符合GB/T 4356-2016《不銹鋼盤條》中關(guān)于S30408鋼的規(guī)定;其橫截面金相分析為均勻奧氏體，未見明顯裂紋，非金屬夾雜未見明顯異常，材料本身未發(fā)現(xiàn)缺陷。

此螺釘生產(chǎn)工藝為冷鐓碾制，其墩頭過程由三模三沖連續(xù)冷鐓成型，其中第一模為初成型，未參與內(nèi)六角孔成型，因此并不影響頭桿結(jié)合處性能。螺釘最終通過二模與三模兩次沖孔擠壓成型，生產(chǎn)過程中如果成型調(diào)機(jī)時(shí)二模與三模的長度配合不當(dāng)，該規(guī)格二模成型控制長度與三模成型控制長度相差大于1mm，導(dǎo)致在沖壓成型內(nèi)六角孔時(shí)材料出現(xiàn)撕裂，降低頭部承載力。螺釘在擰緊條件下，承受軸向拉伸應(yīng)力及橫向剪切應(yīng)力作用，擰緊過程中附加扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，在周向應(yīng)力集中情況下可能產(chǎn)生失效。二模和三模的長度差會在每次更換模具或主沖棒后有一定調(diào)整，所以內(nèi)六角孔折疊問題在批次中會以一定比例呈現(xiàn)。

從失效樣品斷口宏觀分析可以發(fā)現(xiàn)斷口2部分為典型不銹鋼螺釘在扭轉(zhuǎn)、拉伸應(yīng)力條件下應(yīng)力集中產(chǎn)生的撕裂。而斷口1部分并無金屬撕裂產(chǎn)生的顆粒狀斷裂面，從其金屬層疊剝離狀況看，明顯存在金屬流線斷裂并重新折疊現(xiàn)象;斷口無明顯宏觀塑性變形，其斷裂面光亮，為預(yù)先斷裂后重新擠壓粘連，斷口存在縱向紋路，為擠壓及拉脫導(dǎo)致;斷裂起始位置并非六角槽底部，而是沿嵌入金屬內(nèi)部原有斷裂面拉脫，此部位無法提供足夠承載力。

綜合以上分析認(rèn)為，此失效螺釘由于成型時(shí)模具調(diào)整不當(dāng)，導(dǎo)致頭桿連接處2/3區(qū)域存在折疊，在擰緊過程中，此部位先發(fā)生斷裂，而后導(dǎo)致另1/3區(qū)域產(chǎn)生撕裂。

5 結(jié)論及建議

薄頭內(nèi)六角螺釘冷鐓成型過程中二模、三模成型控制長度相差過大易導(dǎo)致成型過程中產(chǎn)生折疊，使得螺釘機(jī)械性能無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，使用過程中產(chǎn)生失效。此類缺陷難以從外觀觀察發(fā)現(xiàn)，且不可逆，因此在模具調(diào)整階段就應(yīng)予以重點(diǎn)管控，防止金屬折疊發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜招喜，許宗凡，張挺，劉昌奎.緊固件制備與典型失效案例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[2]張棟.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[3]邱康勇，張杰，吳繼權(quán).某鋼結(jié)構(gòu)螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊），2018，59（10）：765-768.

作者簡介：沈加元（1982-），男，浙江嘉興人，大專，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，工程師，主要從事不銹鋼螺栓緊固和失效等方面的研究。