4.8級六角頭螺栓頭部斷裂原因分析

摘要 本文采用酸蝕試驗，化學(xué)分析，金相檢驗，掃描電鏡等方法，對常熟標準件廠生產(chǎn)的4.8級低碳鋼制六角頭螺栓在安裝時發(fā)生頭部斷裂的現(xiàn)象進行了分析。結(jié)果證明該螺栓位于頭部沿徑向的脆性斷裂，是頭部冷鐓過程中偏心導(dǎo)致頭部產(chǎn)生折疊，繼而產(chǎn)生的裂紋引起的。

關(guān)鍵詞 六角頭 脆性斷裂 偏心 折疊

引言 我廠生產(chǎn)的4.8級六角頭螺栓，客戶在使用安裝時屢次發(fā)生位于頭部沿徑向的脆性斷裂。該螺栓的生產(chǎn)工序為：材料退火→材料拉拔→冷鐓→搓牙。我們對斷裂螺栓進行了物理和化學(xué)性能的分析，并同時與其他批次合格螺栓進行了比較。

1 檢驗及分析

1.1 檢測儀器

MAXxLMF14直讀光譜儀 HXS-1000A金相顯微鏡 HR-150A硬度計 EVO 18掃描電鏡

1.2 宏觀及酸蝕試驗

取斷裂螺栓型號為1180 16X45 ，圖1為斷口形貌，可見斷口成灰色結(jié)晶狀，光滑平坦，裂紋起源于次表面（箭頭處），看不到纖維區(qū)，剪切唇區(qū)很小，整個斷面呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

取斷裂螺栓的頭部沿縱向中心線剖開做低倍酸蝕試驗，同時取不同批次合格螺栓與之比較。圖2是斷裂同批次未使用螺栓，在頭部距支撐面1/3處一條明顯裂紋，裂紋處金屬流線有折疊，有尖角，左右不對稱。圖3是其他批次合格螺栓，金屬流線完整對稱，金屬纖維連續(xù)。

圖2也說明螺栓安裝扭斷之前已有裂紋存在，這裂紋是在之前的工序產(chǎn)生的。

1.3 硬度 HRB82 符合4.8級標準

1.4 化學(xué)分析

用直讀光譜儀測斷裂螺栓的化學(xué)成分，結(jié)果如下：

0.10%C， 0.11%Si， 0.41%Mn， 0.011%S， 0.013%P

材料符合標準規(guī)定。

1.5 金相分析

取斷裂螺栓的橫截面做金相試樣，晶粒度6級，組織為塊狀F+少量聚集的粒狀P。為正常退火組織。（圖略）

1.6 掃描電鏡分析

對斷裂螺栓的斷口進行掃描電鏡觀察（圖4），斷口形貌既非解理形貌，也非典型的晶間斷裂形貌，而是非常平坦的金屬平面，在金屬平面上，是不同晶粒壓平后的晶界（呈亮線）。說明鋼在安裝扭斷前并無原子間的金屬鍵結(jié)合，而是一種不嚴格的壓合狀態(tài)，即在破斷前內(nèi)部非完整的金屬晶體結(jié)構(gòu)。

這一結(jié)論證實了前面提到的裂紋發(fā)生在冷鐓工序或之前，斷口經(jīng)末次鐓粗已被破壞，只能看到壓平后的狀態(tài)。

2螺栓斷裂原因分析

由圖5可見，螺栓的裂紋發(fā)生在安裝扭斷之前，頭部冷鐓成型是關(guān)鍵工序。

螺栓冷鐓的第一步是切料，無論哪一種切斷方式，坯件的切斷面都不能與其軸心線垂直，應(yīng)有一個1°～5°角的傾斜。這樣在冷鐓時，初沖對坯件的著力點不在中心，而會出現(xiàn)偏心，使坯件受力不均，從而產(chǎn)生變形不均，導(dǎo)致頭部成形時因縱向彎曲而出現(xiàn)折迭。對于切斷面傾斜角小的，變形中產(chǎn)生的縱向彎曲不明顯，不至于達到影響頭部質(zhì)量的程度。（圖5）相對而言，低碳鋼因為有較好的塑性和低的硬度，這個傾斜角趨于上限。

此外，初沖型腔的底端是對坯件施加鐓鍛力的傳遞面，如果中心偏移，合力的作用中心勢必產(chǎn)生偏移，同樣道理，也是產(chǎn)生縱向彎曲的因素。其它如機床的運行精度、操作者對工裝安裝調(diào)整水平也對初沖成形有影響。也會因偏心導(dǎo)致折疊產(chǎn)生。

這就是導(dǎo)致螺栓六角頭縱剖面金屬流線產(chǎn)生不對稱和折疊（圖3）的原因。

經(jīng)過之前的拉絲工序，材料產(chǎn)生形變硬化，相比而言心部硬度明顯低于表面硬度，即材料心部的σb低于表面。初鐓時，材料因偏心受軸向壓應(yīng)力的同時也受到徑向的剪切力[1]，當這個剪切力超過心部σb時，在應(yīng)力集中處（折疊尖端，夾雜，偏析等缺陷處）就產(chǎn)生了

橫向裂紋，這個裂紋在繼續(xù)鐓粗的過程瞬間擴展，以致沒有明顯的纖維區(qū)，再繼續(xù)鐓粗的過程將開裂面金屬晶粒壓合就是之后掃描電鏡觀察到的圖4。對于低強度的材料一般總認為其塑性較好，不應(yīng)該發(fā)生脆性斷裂，但因為同時強度σb也低，變形中的材料存在某些缺陷時（如折疊，夾雜，偏析等），這些缺陷處的應(yīng)力集中就足以產(chǎn)生開裂。這解釋了此斷裂螺栓的裂紋起源于次表面而非外表面。

這種頭部有裂紋（圖2）的螺栓如果做拉伸試驗會發(fā)生低應(yīng)力的脫頭（頭桿結(jié)合部的斷裂），在使用安裝過程中受到預(yù)緊力則會發(fā)生頭部裂紋截面處的斷裂。

3結(jié)論及建議

1、螺栓斷裂脫頭的主要原因是冷鐓工序中偏心造成的。

2、冷鐓工序應(yīng)避免初鐓時沖壓力與工件的偏心，這可以通過切料后安排坯件整形，初沖中采用帶彈簧的頂桿，增加操作工培訓(xùn)以提高工裝安裝調(diào)整水平等來加以改善。

3、對一些重要部位的螺栓（如1180 4.8級螺栓）改用含微量Al的08Al、10Al，達到細化晶粒，改善材料韌性的目的。[2]

4、增加無損探傷以剔除存在內(nèi)部裂紋的工件。

參考文獻 [1]上海市機械制造工藝研究所主編 金相分析技術(shù) 上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻出版社，1987： 896

[2]章守華 .合金鋼 北京：冶金工業(yè)出版社，1981：24

作者簡介：巢愛華（1964-）， 女，漢族，湖南長沙人， 常熟標準件廠，大學(xué)本科， 從事理化檢驗及熱處理工作。