薄頭內六角螺釘頭桿結合處失效分析

沈加元 王春斌 陳荷云

摘 要：薄頭內六角螺釘進行緊固過程中發生斷裂失效，斷裂發生在頭桿結合處。采用宏觀分析、化學成分分析、金相分析等方法對螺釘斷裂原因進行了分析。結果表明：螺釘斷裂主要原因是螺釘生產用模具設計缺陷導致生產過程中頭桿結合處產生撕裂，形成薄弱處，性能無法達到標準要求而產生失效。

關鍵詞：內六角螺釘;不銹鋼;斷裂;模具

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.018

0 背景

對于內六角系列螺釘，在保證足夠槽深的基礎上，其內六角底部與螺釘下承面頭桿結合處間距較小，形成相對薄弱區，如果材料、孔深、制造過程等控制不當，易在頭桿結合處產生失效;更嚴重者，尚未達到螺釘標準強度即產生失效。此規格螺釘為薄頭內六角螺釘，其頭部高度相對于普通內六角螺釘頭部高度更小，內六角底部與下承面之間余量也更小，因此其頭桿結合處失效風險更大。該失效螺釘材質為304奧氏體鋼，規格為M10X25mm，現奧氏體內六角螺釘制造工藝一般為：原材料冷抽硬化—冷鐓成型—研磨—螺紋碾制—洗光[1]，有別于傳統切削加工方式可直接控制其外形尺寸，冷鐓成型方式需通過模具設計間接控制其產品尺寸，因此模具設計及調整成為控制產品質量重要一環。

1 宏觀分析

1.1 整體宏觀形態

失效螺釘整體宏觀形貌見圖1，可見螺釘表面呈金屬本色，金屬表面未有涂覆層，斷裂位置在頭桿結合處，斷口完整未見腐蝕痕跡。失效件螺紋有明顯使用痕跡、未見銹蝕現象，螺紋處未見斷裂起源區，可見斷裂起源于頭桿結合處[2]。

1.2 低倍鏡下斷口宏觀形貌

將失效樣品置于低倍鏡下觀察斷口宏觀形態，圖2、圖3為失效螺釘頭部及桿部斷裂位置圖片，發現頭部及桿部斷面均有兩種形態，且能重合復原。

圖2所示a）區域占約整個頭部斷面2/3區域，有明顯環狀溝槽，有金屬片狀剝離現象，a）區域內有明顯層疊紋路及階梯狀裂紋。b）區約占頭部斷面1/3，斷面較為平坦，斷面具有顆粒感。斷裂起于與a）區與b）區交界處，呈逆時針方向擴展條紋，為典型扭轉拉伸應力下斷裂面[3]。

圖3所示桿部斷面c）區約占桿部斷面2/3，區域內有明顯層疊紋路及階梯狀裂紋，斷面較光滑，且有縱向紋路，有金屬片狀剝離，與a）區能重合。斷口d）區約占桿部斷面1/3區域，斷面較為平坦，無斷層，斷面具有顆粒感，與b）區重合。

2 化學成分分析

在斷裂螺釘桿部截取試樣進行光譜檢測，對試樣進行清洗、干燥、打磨后，采用斯派克LAVFA08A臺式直讀式光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。可見各項元素含量均符合GB/T 4356-2016《不銹鋼盤條》中關于S30408鋼的規定。

3 金相分析

3.1 低倍鏡下橫截面形態

截取斷裂螺釘斷口附近橫截面，經鑲嵌、打磨、拋光后置于低倍鏡下觀察，見圖4，未發現明顯裂紋。

3.2 橫截面金相分析

截取斷裂螺釘斷口附近橫截面，經鑲嵌、打磨、拋光、60%（體積分數）硝酸溶液進行電解腐蝕后，置于蔡司Axio Imager.A1m金相顯微鏡下觀察，其金相顯微組織見圖5，呈現均勻奧氏體組織。

3.3 非金屬夾雜分析

取金相試樣置于蔡司Axio Imager.A1m金相顯微鏡下觀察，圖6所示為試樣非金屬夾雜物形態，依據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》對比判定，試樣中非金屬夾雜主要為B類細系1.5級，該非金屬夾雜并不影響開裂。

4 綜合分析

依據以上檢驗結果可知：失效螺釘化學成分檢驗結果符合GB/T 4356-2016《不銹鋼盤條》中關于S30408鋼的規定;其橫截面金相分析為均勻奧氏體，未見明顯裂紋，非金屬夾雜未見明顯異常，材料本身未發現缺陷。

此螺釘生產工藝為冷鐓碾制，其墩頭過程由三模三沖連續冷鐓成型，其中第一模為初成型，未參與內六角孔成型，因此并不影響頭桿結合處性能。螺釘最終通過二模與三模兩次沖孔擠壓成型，生產過程中如果成型調機時二模與三模的長度配合不當，該規格二模成型控制長度與三模成型控制長度相差大于1mm，導致在沖壓成型內六角孔時材料出現撕裂，降低頭部承載力。螺釘在擰緊條件下，承受軸向拉伸應力及橫向剪切應力作用，擰緊過程中附加扭轉剪切應力，在周向應力集中情況下可能產生失效。二模和三模的長度差會在每次更換模具或主沖棒后有一定調整，所以內六角孔折疊問題在批次中會以一定比例呈現。

從失效樣品斷口宏觀分析可以發現斷口2部分為典型不銹鋼螺釘在扭轉、拉伸應力條件下應力集中產生的撕裂。而斷口1部分并無金屬撕裂產生的顆粒狀斷裂面，從其金屬層疊剝離狀況看，明顯存在金屬流線斷裂并重新折疊現象;斷口無明顯宏觀塑性變形，其斷裂面光亮，為預先斷裂后重新擠壓粘連，斷口存在縱向紋路，為擠壓及拉脫導致;斷裂起始位置并非六角槽底部，而是沿嵌入金屬內部原有斷裂面拉脫，此部位無法提供足夠承載力。

綜合以上分析認為，此失效螺釘由于成型時模具調整不當，導致頭桿連接處2/3區域存在折疊，在擰緊過程中，此部位先發生斷裂，而后導致另1/3區域產生撕裂。

5 結論及建議

薄頭內六角螺釘冷鐓成型過程中二模、三模成型控制長度相差過大易導致成型過程中產生折疊，使得螺釘機械性能無法達到標準要求，使用過程中產生失效。此類缺陷難以從外觀觀察發現，且不可逆，因此在模具調整階段就應予以重點管控，防止金屬折疊發生。

參考文獻：

[1]姜招喜，許宗凡，張挺，劉昌奎.緊固件制備與典型失效案例[M].北京：國防工業出版社，2015.

[2]張棟.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004.

[3]邱康勇，張杰，吳繼權.某鋼結構螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗（物理分冊），2018，59（10）：765-768.

作者簡介：沈加元（1982-），男，浙江嘉興人，大專，實驗室負責人，工程師，主要從事不銹鋼螺栓緊固和失效等方面的研究。