分享：42CrMo钢螺栓断裂失效分析

摘要

    对42CrMo超高强度钢基螺栓的断裂行为进行了实验研究，包括宏观和微观断裂观察、金相测试、力学性能测试和能谱分析。结果表明:锚杆断裂源区和基体中存在大量硫化物夹杂、带状夹杂和碳亏损等组织缺陷;这些缺陷降低了材料的疲劳强度，容易产生疲劳断裂源。此外，硫化物夹杂易使裂纹扩展，随着应力的增加，螺栓的有效横截面逐渐减小，当应力超过材料断裂强度时，最终导致螺栓断裂。基于断裂失效判据和疲劳裂纹扩展曲线，探讨了断裂机理。

螺栓断裂形态介绍

    42CrMo钢因其超高的强度、韧性、良好的淬透性、不明显的回火脆性、淬火回火后较高的疲劳极限和抗多次冲击能力而被广泛应用于锻件[1-3]。这种钢基锻件具有较高的强度和较大的淬火回火截面，在机车牵引用大齿轮、压力容器后桥、重载连杆、弹簧夹等工程应用中具有广阔的前景。以及深井钻杆接头和2000米水下打捞工具。

    然而，故障的发生是不可避免的，因此，了解故障机理对优化设计和规避行动具有重要作用。本研究采用宏观观察和微观观察相结合的方法，分析了螺栓断裂源区和基体的力学行为和金相组织。此外，通过引入断裂失效判据[4,5]，从理论上探讨了裂纹扩展的起始和方向分析，提供了一种预测方法，有助于工程应用。

    该螺栓为风力发电机的紧固螺栓，规格型号为M30 × 435。制造过程如下:原料?压裂材料?锻压毛坯?毛坯?热处理?纵向力学性能试验?探伤?精加工?成品。螺栓安装使用时，客户在巡检过程中发现螺栓断裂。

2. 测试过程及结果

2．1． 裂缝宏观观察

    螺栓断裂发生在靠近螺栓端部33mm处，如图1所示。螺栓的断口在螺纹根部。其形态如图2所示。在宏观观察下，断口上可以看到明显的疲劳特征。断裂起源于螺栓的外表面。半椭圆形状的疲劳起始区相对光滑。在延伸区域可以观察到清晰的疲劳线。扩展区域覆盖了大部分裂缝，瞬时裂缝面积相对较小，形态如图3所示。螺栓断口表面磨损严重，表现出不同程度的腐蚀。无法观察到断裂形态。从断裂形态来看，瞬时断裂区域接近边缘，表明螺栓过载程度较低。当螺栓为超载断裂时，纤维区是断裂源的位置，且呈环形脊状的纤维区总是位于火山最内层，而不是边缘。

图1锚杆断裂宏观形貌。

图2 螺栓断裂位置的形态。

图3 螺栓断裂形态。

2．3. 螺栓基体的金相检验

    对螺栓基体进行了非金属夹杂物、显微组织和晶粒尺寸测试。金相检验结果如表2所示。组织形貌如图4所示，晶粒尺寸如图5所示。

图4 螺栓基体金相组织。

图5 螺栓基体晶粒尺寸。

如表2所示，该螺栓的非金属夹杂物、显微组织、晶粒尺寸试验结果均未见明显异常。

断口存在严重的划伤和锈蚀，断口形貌观察不清楚。然而，在断裂起始区观察到大量的孔洞(图6)。延伸

区分布较不明显的疲劳条纹，其形貌如图7所示。放大观察，断口相对平坦，断口上分布着大量次生裂纹

，形貌如图8所示。通过对金相试样裂纹中灰色产物的半定量能谱分析，裂纹主要含有Os、Cr、Mn、Fe

等元素。参见图9中的能谱。

                                                                                                     图6 裂缝成因区微观形态。

图7  裂缝延伸区微观形貌。

图8 次生断裂裂纹的宏观形貌。

图9能量谱。

    根据上述电镜和能谱结果可知，在断裂源区域存在大量孔洞缺陷，是导致整个螺栓断裂的直接原因。疲劳扩展地区边缘分布是一种重要的微观基础部件的疲劳断裂,疲劳条纹出现在第二阶段的疲劳裂纹扩展,裂纹扩展速率更快,每个应力周期的微米。裂纹口灰色产物为氧化产物，裂纹尾为硫化锰夹杂物。这些结构的存在破坏了材料表面的连续性，导致在亚表面赫兹区形成裂纹，特别是脆性氧化物和基体被分离成空洞。腔体边缘尖锐角处的应力集中超过基体的弹性极限，塑性变形较大，导致材料表面硬化，从而产生裂纹。

2.5。骨折来源的显微观察

    将螺栓在断口处纵向切割并打磨。在金相显微镜下，可以观察到许多小裂纹从断口延伸到基体。最深的裂缝深度为0.10 mm，其形貌如图10所示。在放大观察下，裂缝被灰色的产物填充(图11)。在裂缝成因附近发现了分布较集中的硫化物锰包裹体(图12)。在基体中还观察到许多硫化锰夹杂物。

图10小裂纹微观形貌。