高強度螺栓斷裂

1一種尺寸規格為M30mm ×115mm、性能等級為10. 9 級的40Cr 鋼高強度螺栓,在裝配使用過程中發生斷裂。由于螺栓斷成兩截,均卡在工件里,通過擊打斷口的辦法,將斷裂螺栓的上半截(主體部分) 取出。該螺栓經880 ℃油淬,480～490 ℃回火處理。該斷裂螺栓化學成分(質量分數,下同)分析結果基本符合GB/ T 3098. 1 - 1982 中10. 9 級螺栓、以及GB/ T 3077 - 1988 中40Cr 結構鋼的成分要求。筆者力求從螺栓原始斷口的宏、微觀分析入手,從而找出螺栓斷裂的原因。
2原斷口宏觀形貌分析
從螺栓宏觀斷口形貌上可以看到,約三分之一的斷口已被人為擊打。但從裂紋紋理走向和斷口邊緣特征來看,裂紋啟裂于螺紋槽底部圓弧倒角處,該處截面為螺栓最小橫截面,很容易處于高應力集中狀態。另外,從該斷面比較平整、斷面周圍撕邊很小的特點看,該螺栓斷裂過程更傾向于裂紋失穩擴展的特點,亦即該螺栓宏觀斷口基本上呈脆性宏觀斷口形貌特征。
3原斷口微觀形貌觀察與分析
利用掃描電鏡(SEM) 對斷裂螺栓原斷口上未遭人工擊打區域的微觀形貌進行觀察與分析,盡管該區域已經氧化銹蝕,但裂紋擴展區域微觀形貌特征依然十分明顯,即以脆性解理和微裂紋、微孔為其主要形貌特征,同時還存在一定量的準解理、小韌窩和夾雜物特征。經EDS測定,夾雜物主要含有鎂、鋁、硅、鉀和鈣等元素,可推斷為硅酸鹽類夾雜物。
按照斷口紋理方向溯源到左側邊緣偏上部位,雖然該部受到人為擊打的痕跡十分明顯,但利用SEM在該區域附近以及未受擊打的縫隙區域發現了沿晶斷口形貌特征。對沿晶特征晶面及其附近區域分布的不規則塊狀夾雜物進行EDS 分析,沿晶面上主要含硅、鈣、鎂、硫、錳和鉻等元素,附近夾雜物主要含鎂和鈣元素。說明局域化的沿晶特征與其附近夾雜物可能存在一定的關聯性。
4人工斷口微觀形貌分析
為了進一步分析該螺栓斷裂的成因,在距斷口約5mm 處通過人工方式制備一新鮮斷口試樣,在電鏡下觀察,新鮮斷口上也存在少量的沿晶特征,同時也分布著一些主要含有鎂、鈣或鎂、硅、鈣元素的塊狀夾雜物說明在材料內部局域性的沿晶特征與其附近夾雜物確實存在著一定程度的聯系。
5討論
斷口的宏、微觀分析結果表明,斷裂是從應力集中狀態較高的螺紋槽圓弧倒角處開始啟裂的,其附近的材料內部存在著局域性沿晶斷裂特征,加劇了裂紋的啟裂機會和速度,與螺紋槽共同形成了裂紋源。晶界上聚集著的鎂、硫、鈣、錳和鉻等元素,會引起晶界趨于脆化,是導致局域性沿晶斷裂特征的主要因素。雖然螺栓材料中硫的成分 基本符合相關要求,但在微觀上,由于硫固溶度有限,往往能夠單獨存在于晶界上,或者與錳形成MnS。由于該螺栓材料中鉻的含量相對較高,鉻又是促進雜質元素晶界偏聚因素,故晶界上也會含有可觀的鉻。而晶界上的鎂、鈣等元素則來源于其附近的塊狀夾雜物,EDS 分析已經充分地表明在原或新斷口上均存在著若干不規則的塊狀鎂2鈣夾雜物。這些夾雜物極有可能是冶煉或澆注時混入鋼液中的耐火材料碎塊,一般稱之為外來夾雜物 。所以,當外來夾雜物中的鎂、鈣和材料內部的硫、錳、鉻等元素向晶界的偏聚,導致了在局部地區出現了晶界脆化,其效果相當于潛在的裂紋,因此成為了螺栓斷裂的策源地。斷口的宏、微觀分析還表明,當斷裂從裂紋源處啟裂之后,斷裂過程是以快速、失穩方式進行擴展直至破斷。這是由于材料內部存在很多微裂紋、微孔隙等微觀缺陷,導致了材料實際許用應力降低,這也是裂紋快速失穩擴展的先決條件。這些微裂紋的形成與冶煉時除氣和造渣不徹底、后續的鍛造又不能根除有關。而微孔隙往往與外在和內在顯微夾雜物的位置相對應,說明夾雜物的影響不容忽略。
6結語
螺栓斷裂的主要原因是,由于在冶煉或澆注時鋼液內混入了耐火材料碎塊,其雜質元素向晶界偏聚引起局域性晶界脆化,導致螺栓在較低應力狀態下從螺紋槽部開始啟裂。而材料內部微裂紋、微孔隙和顯微夾雜物等微觀缺陷的存在,則加速了斷裂的進程。