垫圈心部组织金相分析

鞍形弹簧垫圈，规格为M24，材质为65Mn，表面达克罗处理。安装扭矩为670N•m，安装在高强度的螺栓上，安装的过程中发现垫圈开裂失效。

13.7.1 试验过程与结果

故障件的断裂位置均位于垫圈开口对边的拱起处，即安装后变形最大处，如图13-57所示

图13-57   断裂垫圈宏观形貌

采用扫描电镜对垫圈断口进行低倍和高倍观察：

垫圈断口低倍观察，可见断面四周较平坦，心部粗糙，低倍形貌见图13-58。

图13-58   断面宏观形貌

垫圈断口高倍观察，断口边缘区域的微观形貌为剪切韧窝形貌，见图13-59。

图13-59  断面边缘微观形貌。

断口心部区域的微观形貌为沿晶断裂，断口为解理及韧窝的混合断口，并伴有晶间二次裂纹，见图13-60。

图13-60  断面心部形貌

金相组织及夹杂物检查：

垫圈边缘的金相组织有轻微脱碳，脱碳层厚度约为0.1mm，见图13-61。

图13-61  垫圈边缘脱碳组织

垫圈心部金相组织，为回火屈氏体，见图13-62。

图13-62 垫圈心部金相组织

垫圈晶粒组织，垫圈经苦味酸腐蚀后，晶粒组织较细，未发现过热过烧特征，晶粒度为6～7级，见图13-63。

图13-63 垫圈晶粒度组织

根据“GBT 10516-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定方法”，对垫圈夹杂物检查和评定，该垫圈夹杂物为A类，（硫化物夹杂、细系）2级，见图13-64。

图13-64垫圈非金属夹杂物

对失效垫圈进行化学成分分析，其化学成分符合GB/T 1222-2007标准中对65Mn钢的要求

对垫圈的硬度检测结果，垫圈硬度为48.0～50.3HRC。

失效垫圈去除表面涂层后，对三个不同部位进行氢含量检测，结检测果为1.3 ppm～1.5 ppm，垫圈中只含有微量的氢。

13.7.2  分析与讨论

垫圈表面脱碳会造成垫圈强度降低，但不会引起脆性开裂。

垫圈材质、晶粒度及非金属夹杂物均符合标准要求，未发现低熔点金属，金相组织正常，无过热过烧，而且垫圈是在安装过程中断裂的，所以，可排除应力腐蚀及液态金属致脆的可能。

垫圈达克罗工艺处理，达克罗工艺的优点就是无酸洗和电镀，防止了渗氢和氢脆危险。氢含量检测结果显示垫圈材质中含有微量氢，但含量不高，断口分析也表明，断口为解理及韧窝的混合断口，并伴有晶间二次裂纹，这不是氢脆断裂的特征，而是脆性断裂的特征

从垫圈硬度可推测该批垫圈的回火温度较低，大约为360℃左右。垫圈的回火温度低，造成了硬度过高；过高的硬度使垫圈塑性降低。脆性增加，在安装应力作用下容易发生脆断。

垫圈的热处理回火温度偏低，使垫圈的硬度过高，当垫圈在螺栓上安装时，在安装扭矩的作用下，垫圈受压应力，在压应力作用下垫圈开口对边的拱起处，变形最大，垫圈拱起处一面受压应力，而另一面受拉应力，在拉应力作用下产生裂纹，裂纹进一步扩展使垫圈脆性断裂失效。

13.7.3  结论与启示

（1）垫圈安装时在安装应力作用下，拱起处一面受压应力，而另一面受拉应力，受拉应力作用的一面先产生裂纹，裂纹进一步扩展使垫圈断裂失效。

（2）导致垫圈断裂的原因是垫圈的热处理回火温度偏低，回火温度偏低使垫圈硬度过高，在安装应力作用下垫圈脆性断裂。

（3）建议采用合适的回火温度，控制垫圈回火后的硬度在合适的范围内。