30CrMnSiNi2A螺栓脆性断裂问题研究

2018-10-12杨志丹顾皞张国胜邓春

中国设备工程 2018年19期

杨志丹，顾皞，张国胜，邓春

（1．海军驻北京地区特种导弹专业军事代表室；2．首都航天机械公司；3.北京航天发射技术研究所，北京 10076）

1 概述

紧固螺栓断裂是工程中常见的问题，也是一些恶性事故的元凶，必须解决关键、重要的产品上紧固螺栓断裂问题。工程中通过抽检试验等方式进行紧固螺栓可靠性验证。30CrMnSiNi2A材料紧固螺栓是一种高强度的螺栓。在拉伸载荷试验时，有部分紧固螺栓加载197～200kN（螺纹M14×1.25），带载20～56小时时发生断裂。因为在实际工作中，该螺栓需承受长时间的拉力载荷，若紧固螺栓的带载时发生断裂，将对产品造成隐患。

2 问题分析

2.1 初步分析

经对紧固螺栓进行观察，螺栓断裂位置位于螺帽根部，螺帽断为两部分，断口附近未见腐蚀及变形痕迹；其余螺栓断裂位置均位于载荷较大螺纹根部，断口附近未见腐蚀及变形痕迹。

体视显微镜下观察，螺帽根部断裂的螺栓断口源区位于螺帽根部表面，大载荷螺纹根部断裂螺栓的断口源区位于螺纹根部表面，源区均未见材料缺陷及机械损伤痕迹，扩展区呈放射状，终断区存在剪切唇。经分析认为，三件螺栓断口具有脆性断裂特征。

2.2 建立问题分析树

根据分析结果，以紧固螺栓头部脆性断裂为顶事件，建立问题分析树如下（图1）。

图1 紧固螺栓脆性断裂问题分析树

2.3 故障树排查

经产品原材料化学成分检测，原材料C含量、氢含量及其它化学成分结果符合标准规定要求X1、X2；经分析紧固螺栓加工过程中无引入氢环节X3；经磁力探伤检测，表面没有裂纹，符合要求X4；随机挑选多件紧固螺栓对R角进行检测，结果符合要求X5。

2.3.1 热处理产生回火脆性X6

试件的回火温度为346～350℃，虽然产品回火后经力学性能检测合格（σb=1660/1670，σ0.2=1410/1380，δ5=12/11）。通过分析问题机理，回火脆性主要应对冲击载荷与冲击断口进行观察来判断。

抽取同批次紧固螺栓进行冲击功检测与断口形貌观察。经检测，冲击功分别为25.40J、28.38J、32.08J，冲击功偏低。

冲击断口形貌，结果为沿晶+解理+韧窝的混合断口形貌。

上述分析说明热处理产生回火脆性的可能性不能排除。

2.3.2 真空镀覆氮化钛（TiN）过程温度过高产生回火脆性X7

紧固螺栓表面为真空镀覆氮化钛处理，经历两个热过程。第一个热过程是前处理过程中，使用酒精+金刚砂对零件进行手工打磨，除去零件表面的氧化层，然后进行烘干，烘干过程的工作温度为60～80℃，远低于零件回火温度。第二个热过程是在真空镀覆氮化钛过程中，为多弧离子镀控温工艺，温度控制在160℃，整个过程共持续40～50min。真空镀氮化钛工艺过程的温度均远低于回火温度。

3 断裂原因及试验验证

3.1 断裂原因

30CrMnSiNi2A材料淬火后，组织由高温时的奥氏体转变为板条状马氏体和残余奥氏体，残余奥氏体存在于马氏体板条之间，呈薄膜状。该薄膜存在对于材料韧性有利，因为奥氏体容易变形，在外力作用下，马氏体板条边界的残余奥氏体产生塑性形变，使马氏体板条界面处因位错堆积而产生的应力集中得到松弛,从而防止了裂纹的形成，从而提高钢的断裂韧性。在350～550℃进行回火时，残余奥氏体分解为Fe3C薄膜，由于Fe3C薄膜属于脆性组织，导致金属断裂时沿着马氏体板条断裂，表现为沿晶断裂的特征，使得金属韧性降低，应出现了明显的回火脆性（附录1、2）。鉴于本批产品的回火温度为346～350℃，同时冲击断口存在沿晶形貌，说明在346～350℃回火参数条件下，材料已进入或临近回火脆性区，回火脆性应是导致问题的根本原因。

在进行螺栓拉伸试验时，螺栓整体受轴向拉应力，由于螺栓头根部及螺纹处存在应力集中，随着拉力的不断增大，应力集中更加严重。当拉力达到材料极限时，应力集中区域最先萌生裂纹并扩展。由于材料的回火脆性，韧性下降、晶界弱化，造成紧固螺栓头的R角处及螺纹根部等应力集中区域对氢更加敏感，对产品材料本身所含氢元素的聚集有促进作用，随着时间推移，易形成氢富集区域，造成氢致损伤，导致脆性断裂。断口呈现脆性，表现为沿晶开裂和解理形貌。

3.2 试验验证

为验证上述分析结论，进行回火温度对材料力学性能、冲击性能与微观组织的影响试验，试验结果见表1。

表1 试验结果

从试验结果看，随着回火温度的升高，抗拉强度、屈服强度变化不明显。在320℃回火时冲击功保持在41～49J，但在350℃回火时冲击功降至25～33J，说明韧性明显减低，脆性迅速提高。通过断口形貌分析，拉伸试样断口均为韧窝形貌，而冲击试样在350℃时开始出现明显的沿晶断裂形貌。说明随着回火温度的升高，在冲击试样上试件表现出回火脆性敏感，而拉伸试样对于回火脆性不敏感。