六角螺栓疲勞斷裂分析
六角頭螺栓,規(guī)格M20×120mm,性能等級(jí)為8.8級(jí),材料40Cr鋼,表面經(jīng)熱鍍鋅處理,螺栓安裝后,在服役了一段時(shí)間后出現(xiàn)斷裂。
螺栓斷裂件外觀見圖11-38,斷裂位置為桿部與螺紋結(jié)合處的螺紋部分,斷口附近螺紋和桿部無(wú)明顯表面損傷痕跡。
圖11-38斷裂螺栓樣品
斷口宏觀分析:整個(gè)斷面上有較多銹斑,斷裂起源于一側(cè)的螺紋牙底(圖11-39),向?qū)γ嬉粋?cè)擴(kuò)展;疲勞源區(qū)可見多條明顯的疲勞臺(tái)階,源區(qū)附近的斷口表面平坦、光滑、細(xì)密,疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面粗糙;整個(gè)斷口可見大量疲勞條帶,從疲勞條帶位置和區(qū)域判斷,斷口上的瞬斷區(qū)面積較小。
在掃描電鏡下對(duì)斷口進(jìn)行微觀觀察,疲勞源區(qū)的形貌可見較多臺(tái)階(圖11-40箭頭所指),裂紋源區(qū)有多條放射狀臺(tái)階條紋(圖11-40箭頭所指為裂紋擴(kuò)展方向),表明裂源區(qū)存在著多個(gè)裂紋源,這些裂紋源均始于螺紋牙底。
在疲勞擴(kuò)展區(qū)可看到疲勞條帶,擴(kuò)展區(qū)形貌為解理斷裂形貌(圖11-41)。
斷面中心區(qū)域有較多孔洞(圖11-42)。
圖11-39 斷口宏觀形貌 圖11-40 裂紋源多條放射狀條紋
圖11-41 擴(kuò)展區(qū)解理形貌 圖11-42 中心區(qū)域孔洞
對(duì)斷面化學(xué)元素進(jìn)行能譜分析,在疲勞源和疲勞擴(kuò)展區(qū)均未發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素。
用光譜法對(duì)斷口附近材料進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè),表明螺栓材料成分符合《GB/T 3077-1999》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于40Cr鋼化學(xué)成分的要求,
對(duì)斷口附近橫截面進(jìn)行低倍缺陷分析,按照GB/T1979-2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí),可評(píng)為中心疏松2級(jí)(圖11-43)。
經(jīng)檢測(cè)顯示斷口附近螺栓的心部組織為正常回火索氏體(圖11-44),表面有脫碳現(xiàn)象,但經(jīng)檢測(cè)該脫碳層深度符合GB/T3098.1-2000標(biāo)準(zhǔn)要求。沿?cái)嗫诳v向制取試樣,對(duì)斷口附近螺紋形貌進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)螺紋牙底存在微裂紋,裂紋位于牙底的脫碳區(qū)域,裂紋兩側(cè)無(wú)氧化現(xiàn)象(圖11-45)。
圖11-43 2級(jí)中心疏松 圖11-44 回火索氏體組織
圖11-45螺紋根部脫碳及微裂紋
在斷口附近進(jìn)行硬度檢測(cè),螺栓表面硬度和心部硬度均符合《GB/T 3098.1 -2000》標(biāo)準(zhǔn)要求。
表面硬度(HV0.3) 256/258/256,心部硬度(HV10) 305/304/297
表面硬度比心部硬度低約50HV。
經(jīng)檢測(cè)顯示螺栓的化學(xué)成分、顯微組織和心部硬度正常。
螺紋牙底存在微裂紋,裂紋位于牙底的脫碳區(qū)域,裂紋兩側(cè)無(wú)氧化現(xiàn)象,說(shuō)明微裂紋是在受到應(yīng)力的作用時(shí)形成的,但反應(yīng)出該螺栓在受到應(yīng)力的作用時(shí),在螺紋牙底容易形成微裂紋,可以判定該裂紋是在長(zhǎng)期服役條件下由于表面脫碳和應(yīng)力集中萌生的裂紋斷面中心區(qū)域的孔洞是原材料本身的低倍缺陷。螺栓表面存在脫碳,中心存在疏松,使螺栓強(qiáng)度降低。螺栓斷裂屬疲勞斷裂,從疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的面積看,疲勞擴(kuò)展區(qū)面積大于整個(gè)斷口面積的90%,斷口上疲勞條帶細(xì)密,并且可見大量的疲勞條帶,說(shuō)明螺栓在工作應(yīng)力下裂紋擴(kuò)展充分,名義應(yīng)力較低,螺栓疲勞屬低應(yīng)力高周疲勞;裂紋源區(qū)有多條臺(tái)階條紋,說(shuō)明裂源區(qū)存在應(yīng)力集中。當(dāng)表面存在缺陷時(shí)就可能產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成臺(tái)階條紋,且出現(xiàn)多源疲勞。通過(guò)斷口分析和金相分析,均表明疲勞裂紋起源于牙紋底脫碳區(qū)域,在應(yīng)力作用下產(chǎn)生并檢測(cè)到多處疲勞源和裂紋。
該螺栓表面存在脫碳現(xiàn)象,脫碳導(dǎo)致螺栓表面硬度下降,降低了螺栓的疲勞強(qiáng)度。另外,螺栓在長(zhǎng)期的交變應(yīng)力作用下,螺栓表面強(qiáng)度較低而又是應(yīng)力集中的地方就往往會(huì)成為裂紋的萌發(fā)源。且螺紋牙底處本身就應(yīng)力較為集中,在螺栓的長(zhǎng)期服役條件下,由于脫碳導(dǎo)致的此處疲勞強(qiáng)度的降低最終使得根部成為疲勞源,并形成多源的疲勞裂紋,最后疲勞斷裂。
根據(jù)以上分析,可以得出如下結(jié)論與啟示:
(1) 螺栓的斷裂為疲勞斷裂。
(2) 由于脫碳導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的降低,其螺紋牙底處為應(yīng)力集中的地方成為疲勞源,在長(zhǎng)期的交變應(yīng)力作用下形成多源的疲勞裂紋,最后疲勞斷裂。
(3) 螺栓的加工工藝過(guò)程要保證滿足技術(shù)質(zhì)量的要求,防止脫碳。
(4) 加強(qiáng)螺栓的原材料檢查,保證原材料滿足技術(shù)質(zhì)量的要求。
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