20Cr13螺栓断裂原因分析

■ 徐宋娟，洪媛媛，马芳，颜明礼，马方园

20Cr13钢属于马氏体不锈钢，淬火后经高温回火处理，该钢具有良好的抗弱腐蚀介质能力和综合力学性能，因而被广泛应用于航空、航天以及船舶等各领域，其中也应用于航天紧固件产品。开槽圆柱头螺栓，材料牌号为20Cr13，在成检前发现5件杆部存在轴向裂纹，此批螺栓共计366件，现对其中1件开裂螺栓进行原因分析。该批零件由规格为φ20mm的20Cr13棒材加工制造，其生产工艺流程为：车→铣→钳→热处理→磨→滚压螺纹→清洗→表面处理→试验→成检。

1. 试验过程与结果

（1）宏观检查 开槽圆柱头螺栓开裂宏观形貌如图1所示，可见螺栓表面裂纹沿轴向分布，较平直，裂纹从头部台阶处到螺纹端头，总长约35.1mm，肉眼观察，裂纹深度较浅，螺栓外表面未见明显机械损伤。

（2）金相检查 由于螺栓较长，分段截取进行镶嵌试样。截取开裂螺栓杆部纵截面、横截面进行金相检查，宏观形貌如图2所示。根据GB/T10561试验方法，对开裂螺栓杆部纵截面进行非金属夹杂评级，A类0.5级，B类2级，C类0级，D类0级，DS0级。经4%硝酸酒精水溶液腐蚀后，螺栓头部发现尺寸约长4.9mm、宽0.6mm的条带区域（见图2），沿轴向分布，内部为晶粒清晰的等轴晶（见图3），明显区别于基体，且对应于开裂位置的延伸线。横向截取开裂螺栓螺纹处腐蚀后，开裂位置未见脱碳现象（见图4），条带区深约0.3mm。基体组织为回火索氏体组织（见图5）。

（3）能谱分析 分别对图3中基体和条带区域进行能谱成分分析（EDS），表1为两区域能谱成分的半定量分析数据。

可以看出，基体主要成分为Fe（84.27%）、Cr（13.70%）、Si等元素，主要成分符合Cr13型不锈钢要求。条带区域主要成分为Fe（97.05%）、Cr（1.29%）、Si等元素，但Fe、Cr元素明显区别于基体成分。

（4）硬度测试 分别对异常条带区域及基体进行显微硬度测试，测试结果如表2所示。螺栓硬度满足设计要求（26～28.5HRC），偏下限，条带区域的硬度明显偏低。

图1 开槽圆柱头螺栓开裂宏观形貌

图2 开裂螺栓杆部截面宏观形貌

2. 开裂原因分析

对螺栓横、纵截面金相检查表明，开裂位置存在沿轴向分布条带缺陷。对条带缺陷及正常位置进行能谱成分分析，结果表明条带缺陷区域能谱成分明显区别于基体成分。虽然能谱分析误差较大，通常适用于定性分析，不适合精确的定量分析，但已能够说明问题。从显微硬度结果表明条带区域硬度明显低于基体，从而说明两者存在明显区别。从金相组织看缺陷部位的组织与基体组织明显不同，正常基体为回火索氏体组织，而缺陷位置组织为等轴晶，且具有金属特征。条带异常区域周围未见脱碳现象，未见非金属夹杂物聚集现象，故综合分析认为条带区域是异金属夹杂。

经了解，此原材料棒材为电渣钢，在冶炼过程中合金料未完全熔化，或者不慎混入其他未熔化金属均有可能形成异金属夹杂，微观上表现为异金属部位组织与基体组织有明显的界线，且自身的硬度与基体的硬度存在明显差异。综合分析认为此缺陷应是材料电渣熔炼过程中有异金属混入所致。由于该缺陷沿轴向分布，破坏了螺栓整体组织的完整性，降低了金属的塑性和强度，且位于零件表面，在后续机加工过程中因强度不足造成表面开裂。

图3 开裂螺栓纵截面形貌

图4 开裂螺栓横截面形貌

图5 螺栓正常位置组织

表1 螺栓基体及条带区域能谱成分结果（质量分数，%）

表2 显微硬度测试结果

3. 结语

通过以上分析得出，原材料异金属夹杂导致开槽圆柱头螺栓在机加过程中开裂；对于本批已生产的零件：螺栓表面开裂的直接剔除，其余螺栓建议采用X射线等无损检测手段进行挑选；而对于车间剩余未加工的建议严格原材料检测，进而确定能否使用。为了尽可能降低此批原材料中的异金属夹杂，应该从冶炼抓起，建议联系厂家，提高冶炼技术，保障供应合格的原材料。

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