螺栓失效分析

■ 史可慶，劉 哲，劉永超

2017年5月接到某公司邀請，分析解決該公司設備失效問題。到廠后對于此失效設備進行了初步調查取證：此失效件為齒輪上的固定螺栓，螺栓頭部與本體斷開失效。溝通得知本產品的相關信息，螺栓為購買的軋制半成品，材質為20MnTiB。自行熱處理后使用，工藝為：860℃保溫后淬火，然后420℃回火。成品硬度為33～40HRC，抗拉強度Rm≥1030MPa，淬火后心部90%以上為馬氏體。調取熱處理操作記錄和監控，排除工藝執行問題引發失效的可能性。

1. 宏觀分析

失效螺栓為在齒輪上的固定螺栓，螺栓頭部與本體斷開失效，頭部內端面有明顯的撕裂失效形貌，且有明顯貝紋線。該螺栓外表面是經過涂層處理的，有銀色涂層存在，如圖1所示。

2. 理化分析

（1）光譜分析 將螺栓頭部外端面用銑床銑掉表層涂層，進行光譜分析和硬度測試如圖2所示，結果如表1、表2所示。

圖1 失效螺栓宏觀形貌

表1 外表面化學成分分析（質量分數） （%）

根據表1的結果分析，成分符合20MnTiB的要求，且無明顯的成分偏析狀況。

（2）硬度檢驗 將螺栓頭部沿著中心軸線鋸切為兩半，磨制試樣，然后在內端面進行硬度檢驗如圖3所示。

分析結果如表2所示。根據表2的結果分析內外表面硬度均符合32～39HRC要求，根據DIN50150標準推算強度也符合Rm≥1040MPa的要求。

（3）金相檢驗 將剖切面進行磨制拋光，進行金相分析，在剖切面一側發現靠近內端面有一處裂紋，裂紋方向與內端面平行，裂紋距內端面最大距離305.35μm，距內端面最小距離54.25μm。并且在裂紋擴展方向處存在超寬的硫化物夾雜，在裂紋附近也存在超尺寸硫化物夾雜，結果如圖4、圖5所示。對剖切面根據標準GB/T10561—2005進行夾雜物評級，結果如表3所示。

將拋光面用4%硝酸酒精腐蝕后觀察并拍攝其金相組織，可以看出：內端面附近和外端面附近金相組織無脫碳現象，靠近裂紋處的金相組織存在嚴重脫碳現象（白亮區域），結果如圖6所示；根據GB/T6394—2002標準中氧化法處理試樣，比較法評判晶粒度級別，級別為7.5級，結果如圖7所示。根據圖6、圖7所示，剖切面金相組織均為回火屈氏體，符合淬火+中溫回火工藝，滿足90%淬火馬氏體要求，但裂紋附近存在明顯的脫碳現象，表征該位置處在淬火前存在缺陷，使得淬火加熱過程中該位置存在氧化脫碳狀況。

圖2 外表面分析測試

圖3 剖切后分析測試

圖4 剖切面拋光后宏觀形貌

圖5 剖切面拋光后微觀照片

表2 硬度檢測結果 （HRC）

3. 分析與討論

（1）硫具有熱脆性。硫在固態鐵中溶解度極小，它能與鐵形成低熔點（1190℃）的FeS。FeS+Fe共晶體的熔點更低（989℃）。這種低熔點的共晶體一般以離異共晶形式分布在晶界上。鋼進行熱加工（鍛造、軋制）時，加熱溫度常在1000℃以上，這時晶界上的FeS+Fe共晶熔化，導致熱加工時鋼的開裂。在裂紋擴展方向處存在超寬的硫化物夾雜，且在裂紋附近也存在超尺寸硫化物夾雜，因此判斷硫化物夾雜是誘發裂紋擴展的重要因素。

（2）斷裂韌度表征金屬材料抵抗裂紋失穩擴展的能力。裂紋尖端足夠大的范圍內應力達到了材料的斷裂強度，裂紋便失穩擴展而導致材料斷裂，這個臨界或失穩狀態的K1值，稱為斷裂韌度。鋼中非金屬夾雜物在裂紋尖端的應力場中，若本身脆裂或在相界面開裂而形成微孔，微孔和主裂紋連接使裂紋擴展，從而使K1值降低。

（3）硫的有害影響主要取決于MnS的數量、延伸程度和分布狀況。Baker等通過測定含硫易削鋼中硫化物的塑性，得出了不同軋制溫度和硫化物相對塑性的關系。Ⅰ、Ⅲ兩類MnS的相對塑性都隨著軋制溫度的下降而增高，Ⅰ類MnS在熱軋中的變形比基體小，最大相對塑性為0.64，對應的溫度為900℃，Ⅲ類MnS的變形最大，在800℃其相對塑性為1.0，Ⅱ類MnS的相對塑性也隨軋制溫度的降低而增加，其塑性介于Ⅰ類和Ⅲ類之間。Sims等將硫化物夾雜分為三類，典型沸騰鋼中是Ⅰ類硫化物,鎮靜鋼中常見的是Ⅱ類硫化物。鋼中不希望有第Ⅱ類MnS夾雜。軋制后的MnS形狀分為條形、紡錘形、橢球形。

（4）鋼中夾雜物屬于與基體結合較弱的脆性相，加之最大應力往往集中在夾雜物與鋼基體界面上，少量的應變便會使夾雜物與鋼基體界面形成孔洞。塑性較好而與基體結合較弱的硫化物在應力作用下會較早地在硫化物與基體間的界面處開裂，形成分離裂紋。裂紋先以與應力軸呈一定角度擴展到組織偏析帶內，然后沿偏析帶擴展。

圖7 剖切面晶粒度照片（7.5級）

表3 剖切面夾雜物分析結果

4. 結論與建議

（1）靠近內端面的該處裂紋在淬火前時段產生，并在淬火后和使用過程中產生裂紋擴展和瞬斷情況。

（2）螺栓失效的直接原因為近內表面處存在缺陷，熱處理過程中缺陷加劇，形成裂紋，導致螺栓短期服役時間內產生疲勞斷裂。

（3）超尺寸的硫化物夾雜使得工件在熱成形時極易產生微孔或裂紋，使得裂紋在硫化物附近形成，此為主要原因之一。

（4）工件經過淬火后加劇裂紋的擴展，使得斷裂韌度加劇降低，大大降低螺栓服役時間，此為失效的重要原因之一。

（5）在執行熱處理工藝前，對待處理工件進行MT或UT檢測，確保工件滿足淬火處理的條件。

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