45K冷镦钢螺栓装配过程断裂失效分析

2018-10-26周斌金林奎黄持伟杨宇飞

金属加工(热加工) 2018年10期

■ 周斌，金林奎，黄持伟，杨宇飞

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45K冷镦钢常用于冷镦加工制造紧固件、连接件，如螺栓、螺母等。本文对六角凸缘螺栓断裂失效件的化学成分、表面硬度、断口形貌及显微组织进行理化检测，分析和推断螺栓失效件断裂的原因以及断裂形成机理。

1.宏观检查

该螺栓失效件材料采用45K冷镦钢加工制造，螺栓型号为M8×40mm。加工工艺流程为冷镦→调质→搓丝→酸洗→镀锌。该六角凸缘螺栓在装配过程中发生断裂，断裂部位位于螺杆中部的螺母锁紧位置（见图1a）。六角凸缘螺栓零件由六角凸缘和螺杆构成（见图1b），该螺栓断裂失效件为客户提供，断裂件六角凸缘端已被截取，断裂件螺杆端也已剖开为两半，且两截断裂件外观色泽偏差较大，右侧断裂件的剖面是线切割加工形成的（见图1c）。

2.结果与讨论

（1）化学成分分析从该螺栓断裂件上截取试样，采用ARL8860火花放电直读光谱仪进行化学成分检测。依据标准JIS G3507－1－2010《冷镦用碳素钢第1部分：盘条》进行判定，化学成分符合规范要求（见表1）。

图1 螺栓成品及断裂件

（2）表面硬度检测从该螺栓断裂件上截取试样，采用Qness Q150数显洛氏硬度计进行表面硬度检测。检测结果表明，实测硬度值符合客户规范要求（见表2）。

（3）扫描电镜检测采用SIGMA 300扫描电子显微镜，对螺栓失效件断口进行检测。六角凸缘端断口为圆锥形凸起，螺杆端断口为圆锥形凹坑。对六角突缘端圆锥凸起断口进行检测，图2a所示左侧为六角突缘端断口的螺牙齿顶外缘，右侧为断口中心凸起圆锥面。距螺杆螺牙底槽部位存在周向开裂的裂纹，裂纹呈多条平行条纹，表明材料表面强度极低。图2a中红框区域的倍率经放大，螺牙底槽裂纹显示多源台阶的应力开裂特征。该处存在应力集中现象，而且材料表面强度低，因而存在多条多源台阶裂纹源的开裂特征形貌（见图2b），由此推断螺牙底槽部位属于断口的断裂起始区。

断裂起始区断口呈现细小等轴韧窝特征形貌（见图3a），表明材料基体组织韧性较好。靠近圆锥形凸起尖端的断裂终断区，断口仍以细小等轴韧窝为主，同时存在较多量撕裂棱及变形韧窝（见图3b），该处为断口终断区快速扩展特征。

（4）金相检测分析采用Axio Observer 7m金相显微镜，对螺栓断裂件基体组织进行金相检测。试样未经腐蚀剂浸蚀时，螺牙侧面明显可见不同形态的表面裂纹，表面裂纹的纵深度及垂直深度大多在60～160μm。无论是弯曲裂纹还是分叉裂纹，裂纹的尾部都呈圆钝状（见图4a～4d），显示挤压变形的折叠裂纹特征形貌。

金相显微镜检测，螺杆上几乎每个螺牙侧面都存在表面折叠裂纹。螺牙底部凹槽由圆角过渡，但过渡圆角的R半径较小（见图5a）。经测量，螺牙底槽R角半径为0.18mm，螺牙底槽R角半径越小，对应的应力集中越大。图示螺牙表层覆盖一层亮灰色的镀锌层，经测量该处镀锌层厚度为9.62μm（见图5b）。

经腐蚀剂浸蚀后检测，有些螺牙侧面及底槽都存在表面折叠裂纹，同时螺牙表层呈现亮黄色（见图6a、6b），螺牙表层组织存在差异。图片经放大，表面折叠裂纹缝隙两侧存在明显的脱碳层（见图6c、6d）。螺栓在冷镦过程中产生折叠裂纹，在调质处理的加热过程中发生氧化脱碳，后期搓丝加工过程使折叠裂纹进一步挤压成细长的裂纹。

表1 失效件样品化学成分测试结果 (质量分数) （%）

表2 失效件样品表面硬度测试结果（HRC）

图2 螺牙底槽形貌

图3 螺栓断口形貌

图4 螺牙表面裂纹

螺牙侧面发现开口较大的表面折叠裂纹，裂纹间隙两侧的表面脱碳现象更为明显。在表面折叠裂纹的周围呈现变形的纤维状组织，表明搓丝加工之前螺栓表面已存在较大的凹坑，在搓丝过程中经挤压变形而形成折叠裂纹（见图7a）。在表面折叠裂纹的开口处存在两处圆弧状的凹坑，这是表面腐蚀的特征形貌，表明在镀锌处理之前，螺栓零件经过酸洗处理，由于酸洗处理时间较长，已经在表面形成较深的腐蚀凹坑（见图7b）。

在螺牙底槽部位存在锲形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基体呈现严重变形的纤维状组织。由于搓丝加工产生的拉应力已经大于材料的抗拉强度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑（见图8a）。经测量，搓丝挤压加工的变形层深度达120μm。在螺牙底槽存在较多量的圆弧状腐蚀凹坑（见图8b），表明螺栓在酸洗处理过程中，酸洗处理时间过长。

螺杆端断裂件的开裂起始区，首先形成于螺牙底槽部位，然后向螺杆中心部位及纵向继续扩展至最终断裂（见图9a、9b）。螺杆端断裂件断口呈圆锥形凹槽，断裂终断区位于螺杆心部，终断区的断口剖面呈现大小不等的凹坑，这些凹坑对应于六角凸缘端断口终断区的韧窝特征形貌（见图9c、9d）。

图5 螺牙表面形貌

图6 螺牙表面裂纹

图7 螺牙表面裂纹（500×）

图8 螺牙底槽形貌

为了准确测量螺栓断裂件的表面脱碳层，在螺栓光杆部位径向截取试样进行检测。金相显微镜检测，螺栓光杆部位的表层存在较深的白亮色脱碳层（见图10a～10b），依据国家标准GB/T224—2008《钢的脱碳层深度测定法》进行测定，表面脱碳层深度达0.11mm。在调质处理过程中，热处理炉内保护气氛不规范，零件因高温氧化脱碳造成较严重的表面脱碳层，特别是外表层全脱碳部位几乎全为铁素体组织。由于表面脱碳层内的碳含量降低，造成表面强度降低。采用Q10M数显维氏硬度计，对螺栓外表层全脱碳区域进行硬度测试，实测硬度值为85HV0.2，依据国家标准GB/T 33362—2016《金属材料硬度值的换算》进行换算，对应的抗拉强度值约为270MPa。螺栓规范要求的硬度值为22～32HRC，依据国家标准GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》进行换算，对应的抗拉强度值为813～1039MPa。因而可以推断，表面脱碳层的抗拉强度只有螺栓材料抗拉强度的1/3～1/4。该表面脱碳层缺陷组织显著降低，材料表面强度低，这是造成螺栓断裂的主要原因。

六角凸缘部位以及螺栓杆部的基体显微组织，都为细针状马氏体位向的回火索氏体＋少量铁素体（见图11a、11b）。依据国家标准GB/T13320—2007《钢质模锻件金相组织评级图及评定方法》第三评级图进行评定，调质处理的显微组织评定为2级，标准要求1～4级合格，该显微组织属于合格级别。

（5）金相试样扫描电镜测试对金相组织进行扫描电镜检测，在螺杆螺牙表面覆盖一层深灰色镀锌层（见图12a）。扫描电镜倍率进一步放大，表面镀锌层显示层状分布的多层结晶体，表面镀锌层与螺牙表面基体连接的过渡层结合良好（见图12b）。经测量，该处表面镀锌层厚度为9.36μm。

图9 螺杆端断口形貌

图10 表面脱碳层

图11 螺栓显微组织

螺杆螺牙凹槽表面同样覆盖一层镀锌层，表面镀锌层底部的螺牙凹槽表面存在多条折叠裂纹（见图13a）。扫描电镜倍率进一步放大，折叠裂纹间隙两侧由若干个圆弧状凹坑构成，表明酸洗过程中的表面腐蚀较为严重。由于凹槽部位表面镀锌层沉积更为突出，实测表面镀锌层深度达10.76μm（见图13b）。

经扫描电镜检测，六角凸缘部位及螺栓杆部的显微组织，都为细针状马氏体位向的回火索氏体＋少量未溶铁素体。回火索氏体由颗粒状碳化物构成的针状及条状组织，未溶铁素体晶粒内只有极少量的颗粒状碳化物（见图14a、14b）。检测结果显示，螺栓基体显微组织正常。

（6）金相试样微区能谱测试对螺杆螺牙部位的表面镀锌层及基体组织进行微区能谱测试，测试区如图所示，谱图1区为表面镀锌层（见图15a），谱图2区为基体组织（见图15b）。能谱测试结果表明，谱图1区域的表面镀锌层含有Zn、Mg、Fe等合金元素，其中Zn含量达92.47%，能谱测试结果显示，螺牙表层属于含有少量Mg、Fe合金的表面镀锌层（见图15c）。谱图2区域的基体组织含有C、Mn、Fe等合金元素，成分显示与45K冷镦钢材料相符（见表3）。由于试样测试面经过硝酸酒精浸蚀，表面残留较多的C元素，因而能谱测试结果含碳量偏高（见图15d）。

图12 表面镀锌层

图13 螺牙底槽形貌

图14 螺栓显微组织

图15 微区能谱测试

综上所述，六角凸缘端断口为圆锥形凸起，螺杆端断口为圆锥形凹槽。对六角凸缘端圆锥凸起断口进行检测，在螺牙底槽部位存在多条周向开裂的裂纹。裂纹呈多条平行条纹，表明材料表面强度极低，同时裂纹处的多源台阶显示应力开裂特征。经测量螺牙底槽R角半径为0.18mm，螺牙底槽R角半径越小，应力集中越大。该处存在应力集中现象，而且材料表面强度低。螺牙底槽部位存在多源台阶的裂纹源开裂特征形貌，由此推断该部位属于断口的断裂起始区。

螺牙侧面明显可见不同形态的表面裂纹，无论是弯曲裂纹还是分叉裂纹，裂纹的尾部都呈圆钝状，显示挤压变形的折叠裂纹特征，有些螺牙侧面及底槽都存在表面折叠裂纹。在表面折叠裂纹的开口处存在圆弧状的凹坑，这是表面腐蚀的特征形貌，表明在镀锌处理之前，螺栓经过酸洗处理，且酸洗处理时间较长，已经在表面形成较深的腐蚀凹坑。在螺牙底槽部位存在楔形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基体呈现严重变形的纤维状组织。由于搓丝加工产生的拉应力已经大于材料的抗拉强度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑。

螺栓表面存在较严重的表面脱碳层，调质处理过程中热处理炉内保护气氛不规范，因高温氧化脱碳造成螺栓零件表面形成较严重的脱碳层，经测量表面脱碳层深度达0.11mm。该表面脱碳层缺陷组织显著降低材料的表面强度，这是造成螺栓断裂的主要原因。