螺栓断裂分析报告

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1、高强度螺栓断裂分析曾振鹏(上海交通大学高温材料及高温测试教育部重点实验室，上海200030) 摘　要:采用断口分析、金相检验和硬度测定等方法，对高强度螺栓断裂原因进行了分析。断口分析结果表明，断口平坦，呈放射状花样，微观形态主要为准解理花样，表明螺栓的断裂是脆性断裂;同时发现，在断口附近还存在横向内裂纹，内裂纹的断口形态与断裂断口一样。金相分析表明，材料棒中存在严重的中心碳偏析，而中心碳偏析是引起断裂的主要原因。关键词:高强度螺栓;准解理;横向内裂纹;中心碳偏析 某厂生产的一批规格为M30×160mm的高强度大六角头螺

2、栓，在进行验收试验时发生断裂。螺栓材料为35CrMoA，采用常规工艺生产，硬度要求为35～39HRC。1　检验1.1　材料的化学成分用VD25直读光谱仪进行了材料化学成分分析，分析结果(质量分数)列于表1。从表1可以看出，材料的化学成分符合标准要求。 1.2　硬度测定硬度测定结果列于表2。由表可见，螺栓材料硬度虽符合技术要求，但已接近上限。 1.3　材料的显微组织(1)在抛光态下，可见材料中含有较严重的夹杂物，其形态、分布见图1。对照标准[2]，夹杂物级别为3～4级。          图1　夹杂物形态及分布状况　10

3、0×                     图2　螺栓的显微组织　280×                  4%硝酸酒精溶液侵蚀   (2)显微组织见图2。组织为回火马氏体+粒状贝氏体，并有少量铁素体。从图2可明显看出，组织中存在严重偏析，出现回火马氏体和粒状贝氏体带，致使显微组织不均匀，而且在回火马氏体带中存在MnS夹杂。对样品螺纹根部附近的组织进行了观察，未发现脱碳现象。1.4　断口分析(1)图3a为断口的宏观形貌，断口较平坦，表面呈灰色，有明显的撕裂脊，呈放射状花样，放射线从中心向四周发射。表明裂纹先在中心形

4、成，然后向外扩展。当裂纹扩展至整个横截面时，螺栓断裂。                       图3　断口的宏观形貌                                  图4　断口微观形貌(2)断口的微观形态基本上以准解理花样为主，还有一些二次裂纹，如图4所示。从断口的宏观和微观分析可知，断裂断口为脆性断口，裂纹起源于中心部位。裂纹产生后向四周扩展，直至螺栓断裂。1.5　螺纹部位横向内裂纹(1)在制取金相试样时，发现试样螺纹部分至少还有1～2个垂直轴线的横向内裂纹，其纵截面形态见图5，似人的嘴形。打开

5、内裂纹，发现其面积已基本占据了整个横截面，其形态与断裂断口十分相似。图3b为它的宏观形貌。从断口的宏观形态上可以看出，裂纹面较平坦，呈灰色，有明显的呈放射花样的撕裂脊，放射线是从中心向四周放射的。比较图3a和图3b可以看出，它们的形貌是相同的。裂纹断口的微观形态也是以准解理花样为主加二次裂纹。断口的宏观、微观分析表明，该内裂纹断口与断裂断口本质上是一样的。(2)将剩余部分的螺栓沿中心纵向剖开，用10%硝酸溶液侵蚀，发现材料心部有严重的碳偏析，存在明显的流线，见图6。这与金相观察结果是一致的。   对存在偏析的显微组织进

6、行显微硬度测定，发现偏析中的回火马氏体区域的硬度为48.2HRC，大大高于粒状贝氏体区域的硬度(35.5HRC)。     图5　螺纹部位的横向内裂纹纵截面形态                  图6　螺栓材料内部的碳偏析2　分析与讨论2.1　螺栓的横向内裂纹化学成分分析表明，螺栓材料的化学成分符合35CrMoA钢的标准成分，其硬度也在技术要求范围内(但已接近上限)。但是从金相分析结果可以看出，材料的内在质量较差，心部存在碳偏析，不仅降低了材料的韧性和塑性，而且由于组织不均匀，引起心部硬度不均匀，最高硬度已达48HRC

7、。同时，材料中存在严重的夹杂物，致使螺栓心部材料硬而脆，因此施加载荷后首先在心部产生裂纹，而后形成横向内裂纹。所谓钢材的碳偏析是指钢材内各部位含碳量的不均匀性。碳偏析是树枝状偏析的结果，而树枝状偏析又是选择结晶的结果。钢在结晶时，先形成枝干，然后形成枝间，先结晶的枝干比较纯，碳浓度较低，而迟结晶的枝间碳浓度较高，形成碳分布不均。若钢材或锻件树枝晶发达，则钢的塑性和韧性降低，这种情况尤以中碳铬钼钢最为普遍，在压力加工时会形成流线，树枝晶偏析严重时还可使锻件破裂[3]。碳偏析是在冶金过程中由于种种原因造成的。紧固件原材料中

8、的严重碳偏析会造成紧固件经热处理后各部位力学性能的显著差异。文献[4]报道，有一批某型汽车上的45钢螺栓，在使用中连续发生断裂事故，经检查发现，断裂是由心部开始，整个断口呈放射状脆断形貌，将这批螺栓所用钢材沿其轧制方向剖开，发现在试样中心存在着内部裂纹，经酸蚀后可看出严重的中心碳偏析。所以，可以认为，本例螺栓受载荷后产生脆性断裂和