插片壁虎膨胀钉冲孔掉头原因分析

2022-01-07陈蒋华朱文凯王小忠

现代冶金 2021年3期

陈蒋华，朱文凯，王小忠

(中天钢铁集团有限公司，江苏常州 213011)

引言

插片壁虎是一种打入式膨胀钉，其作用是让各种被固定物体在垂直平面上面牢靠地连结、锁紧、固定；广泛使用于在墙体等基础件上面安装各种设备及门窗等物品。插片壁虎由膨胀钉与插片组合而成，安装时需要提前打好合适的孔，插片壁虎放入孔中，将插片壁虎上的插片用锤击打入即可将插片壁虎固定到墙壁或基础件上面。采用ML08Al钢Φ6.5 mm盘条生产插片壁虎膨胀钉的工艺流程：盘条→酸洗磷化→冷拔至Φ5.6 mm→下料，冷镦帽头→杆部冲剪→帽头冲孔→镀锌。插片壁虎膨胀钉帽头部位在冲孔过程中常发生开裂、掉头的现象。

1 理化分析

1.1 宏观断口

插片壁虎宏观形貌如图1,2所示。插片壁虎的膨胀钉在其端部帽头冲孔时发生断裂，断裂发生在膨胀钉帽头与杆部交界处，断口平整，垂直于轴向，未见明显塑性变形痕迹，为脆性断裂断口。由断口中放射性扩展棱收敛处可见断裂源产生于内部，相当于1/3半径处，再由此向四周边缘扩展，直致裂穿整个截面，如图3所示。

图1 插片壁虎宏观形貌

图2 插片壁虎膨胀钉宏观形貌

图3 膨胀钉断裂及断口形貌

1.2 断口组织

经扫描电镜观察，在图4中可见膨胀钉帽头断口中断裂源位于内部，断裂源处未发现有夹渣等冶金缺陷，断口微观特征为一种特殊的沿晶断裂形貌；这种沿晶断裂形貌没有呈现常见的多晶体立体感形貌，而是由于断裂部位因极度变形将晶粒拉长，晶界呈扁平状,断裂扩展裂纹沿拉长扁平的晶界分离，使其沿晶断裂形貌呈现在起伏小的平面上[1]。

图4 膨胀钉帽头断口微观形貌

1.3 金相组织

将未冲孔膨胀钉在半径处沿纵向剖开，其帽头与杆部交界处中部可见因受冷镦挤压而呈横向流线，形成集中变形带，组织产生了严重变形，由于极度变形使晶粒被拉长，晶界呈扁平状，如图5，6所示。将冲孔断裂的膨胀钉帽头在半径处沿纵向剖开，可见断裂发生在集中变形带处，断裂裂纹沿着集中变形带的方向扩展，如图7，8所示。冲孔断裂的膨胀钉杆部纵向组织为等轴晶的铁素体和少量珠光体，但有少量三次渗碳体沿晶界分布，如图9，10所示。

图5 未冲孔膨胀钉纵向剖面，帽头与杆部交界处中部可见横向集中变形带(箭头指处)

图6 帽头与杆部交界处中部的横向集中变形带集中变形带的晶粒拉长，晶界呈扁平状

图7 冲孔断裂的膨胀钉帽头纵向剖面，断裂面正好处于集中变形带

图8 断裂面边缘放大,断裂裂纹沿拉长的变形带扩展

图9 断裂膨胀钉杆部组织

图10 前图放大，有少量三次渗碳体沿晶界分布

2 分析与讨论

断口分析表明，断裂发生在膨胀钉帽头与杆部交界处，断口平整，垂直于轴向，未见明显塑性变形痕迹，为脆性断裂断口。由断口中放射性扩展棱收敛处可见断裂源产生于内部，相当于1/3半径处，再由此向四周边缘扩展，直致裂穿整个截面。通常铆钉及螺栓在帽头与杆部交界处产生掉头的原因与其R圆角处存在折叠或材料组织缺陷等因素有关[2-4]。但观察了几十个膨胀钉断口，发现都断在帽头与杆部交界处，断裂源均在约1/3半径处的内部，并且断裂源处未发现有夹渣等冶金缺陷；这些特征信息说明，膨胀钉在冲孔时断裂不是由表面折叠及粗大夹渣引起的。

膨胀钉断口微观特征为一种特殊的沿晶断裂形貌，这种沿晶断裂形貌没有呈现常见的多晶体立体感形貌，而是由于断裂部位因极度变形使晶粒拉长呈扁平状, 晶界也拉长呈扁平状，断裂扩展裂纹沿拉长扁平的晶界分离，使其沿晶断裂形貌呈现在起伏小的平面上。可见当变形量过大，使晶粒拉长呈扁平状时，其晶界结合强度很弱。

膨胀钉帽头与杆部交界处中心区域组织可见因受冷镦挤压而转折形成的横向流线，因极度变形，使横向流线区域形成了横向集中变形带，显微组织产生了严重变形，晶粒被拉长呈扁平状；断裂就发生在集中变形带处，断裂裂纹是沿着集中变形带方向扩展。集中变形带的产生反映了膨胀钉帽头冷镦时初镦过量，初镦形成的组织硬化导致后面第2镦时对材料流变不利，造成帽头中心区域组织严重变形, 组织应力过大, 晶界结合强度减弱[5-6]。

膨胀钉帽头冷镦成形时，由于头部在杆长方向上收到压缩，中心区域组织可见因受冷镦挤压而转折形成的横向流线，形成了横向集中变形带的纤维组织，使力学性能呈现各向异性，沿着流线的方向具有较高的力学性能，垂直于集中变形带流线方向的性能非常低，而冲孔时的冲击应力正好处于集中变形带的垂直方向。同时，集中变形带区域的组织应力过大，晶粒被压成扁平状，晶界结合强度很弱；而沿晶界分布的少量三次渗碳体将促使在集中变形带中发生层间位错及微裂纹。在膨胀钉帽头冲孔时的外力作用下，首先在这种有微裂纹的集中变形带上发生开裂，随后向四周边缘扩展，直致裂穿整个截面，最终导致膨胀钉产生掉头现象。