高强度螺栓断裂

1一种尺寸规格为M30mm ×115mm、性能等级为10. 9 级的40Cr 钢高强度螺栓,在装配使用过程中发生断裂。由于螺栓断成两截,均卡在工件里,通过击打断口的办法,将断裂螺栓的上半截(主体部分) 取出。该螺栓经880 ℃油淬,480～490 ℃回火处理。该断裂螺栓化学成分(质量分数,下同)分析结果基本符合GB/ T 3098. 1 - 1982 中10. 9 级螺栓、以及GB/ T 3077 - 1988 中40Cr 结构钢的成分要求。笔者力求从螺栓原始断口的宏、微观分析入手,从而找出螺栓断裂的原因。
2原断口宏观形貌分析
从螺栓宏观断口形貌上可以看到,约三分之一的断口已被人为击打。但从裂纹纹理走向和断口边缘特征来看,裂纹启裂于螺纹槽底部圆弧倒角处,该处截面为螺栓最小横截面,很容易处于高应力集中状态。另外,从该断面比较平整、断面周围撕边很小的特点看,该螺栓断裂过程更倾向于裂纹失稳扩展的特点,亦即该螺栓宏观断口基本上呈脆性宏观断口形貌特征。
3原断口微观形貌观察与分析
利用扫描电镜(SEM) 对断裂螺栓原断口上未遭人工击打区域的微观形貌进行观察与分析,尽管该区域已经氧化锈蚀,但裂纹扩展区域微观形貌特征依然十分明显,即以脆性解理和微裂纹、微孔为其主要形貌特征,同时还存在一定量的准解理、小韧窝和夹杂物特征。经EDS测定,夹杂物主要含有镁、铝、硅、钾和钙等元素,可推断为硅酸盐类夹杂物。
按照断口纹理方向溯源到左侧边缘偏上部位,虽然该部受到人为击打的痕迹十分明显,但利用SEM在该区域附近以及未受击打的缝隙区域发现了沿晶断口形貌特征。对沿晶特征晶面及其附近区域分布的不规则块状夹杂物进行EDS 分析,沿晶面上主要含硅、钙、镁、硫、锰和铬等元素,附近夹杂物主要含镁和钙元素。说明局域化的沿晶特征与其附近夹杂物可能存在一定的关联性。
4人工断口微观形貌分析
为了进一步分析该螺栓断裂的成因,在距断口约5mm 处通过人工方式制备一新鲜断口试样,在电镜下观察,新鲜断口上也存在少量的沿晶特征,同时也分布着一些主要含有镁、钙或镁、硅、钙元素的块状夹杂物说明在材料内部局域性的沿晶特征与其附近夹杂物确实存在着一定程度的联系。
5讨论
断口的宏、微观分析结果表明,断裂是从应力集中状态较高的螺纹槽圆弧倒角处开始启裂的,其附近的材料内部存在着局域性沿晶断裂特征,加剧了裂纹的启裂机会和速度,与螺纹槽共同形成了裂纹源。晶界上聚集着的镁、硫、钙、锰和铬等元素,会引起晶界趋于脆化,是导致局域性沿晶断裂特征的主要因素。虽然螺栓材料中硫的成分 基本符合相关要求,但在微观上,由于硫固溶度有限,往往能够单独存在于晶界上,或者与锰形成MnS。由于该螺栓材料中铬的含量相对较高,铬又是促进杂质元素晶界偏聚因素,故晶界上也会含有可观的铬。而晶界上的镁、钙等元素则来源于其附近的块状夹杂物,EDS 分析已经充分地表明在原或新断口上均存在着若干不规则的块状镁2钙夹杂物。这些夹杂物极有可能是冶炼或浇注时混入钢液中的耐火材料碎块,一般称之为外来夹杂物 。所以,当外来夹杂物中的镁、钙和材料内部的硫、锰、铬等元素向晶界的偏聚,导致了在局部地区出现了晶界脆化,其效果相当于潜在的裂纹,因此成为了螺栓断裂的策源地。断口的宏、微观分析还表明,当断裂从裂纹源处启裂之后,断裂过程是以快速、失稳方式进行扩展直至破断。这是由于材料内部存在很多微裂纹、微孔隙等微观缺陷,导致了材料实际许用应力降低,这也是裂纹快速失稳扩展的先决条件。这些微裂纹的形成与冶炼时除气和造渣不彻底、后续的锻造又不能根除有关。而微孔隙往往与外在和内在显微夹杂物的位置相对应,说明夹杂物的影响不容忽略。
6结语
螺栓断裂的主要原因是,由于在冶炼或浇注时钢液内混入了耐火材料碎块,其杂质元素向晶界偏聚引起局域性晶界脆化,导致螺栓在较低应力状态下从螺纹槽部开始启裂。而材料内部微裂纹、微孔隙和显微夹杂物等微观缺陷的存在,则加速了断裂的进程。