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35K六角头螺栓非正常断裂分析

2020-07-21 13:25:31 

六角头螺栓,规格为M12×70,性能等级为8.8级,材质为35K,表面镀黄锌。螺栓出厂试验时发生非正常断裂。

过程与结果

对断裂件检查,断裂螺栓断口位于头下,呈V字形,两侧差异明显,断裂螺栓的宏观形貌,见图13-1。

断裂螺栓宏观形貌

图13-1  断裂螺栓宏观形貌

断裂螺栓头部断口主要分为两部分(A、B),断口A部分的断面锈蚀严重, B部分的断面则为纤维状金属本色,断裂螺栓断口的宏观形貌,见图13-2。

图13-2 断裂螺栓宏观形貌

图13-2 断裂螺栓宏观形貌

(1)扫描电镜观察

断裂螺栓头部断口扫描电镜观察,断口两侧断面存在明显的颜色反差,A区表面氧化严重,颜色较深,而B区颜色较浅,为新鲜断口,见图13-3。

图13-3 断面背散射电子图像

图13-3 断面背散射电子图像

对A区断面扫描电镜图像及能谱分析结果:能谱分析,A区断面外侧边缘含较多的Zn、Cl元素,见图13-4。  

图13-4 A区断面形貌及能谱分析

图13-4   A区断面形貌及能谱分析

A区断面内侧的微观形貌,可见表面氧化严重,见图13-5。。

图13-5 A区断面内侧微观形貌


图13-5   A区断面内侧微观形貌

对B区断面扫描电镜图像观察,B区微观形貌,B区无氧化,可见大量等轴韧窝,见图13=6。

图13-6 B区断面微观形貌


图13-6   B区断面微观形貌

(2)化学分析

用直读光谱法对螺栓进行化学成分分析,分析结果,螺栓的化学成分符合JIS G3507.1-2005标准中SWRCH35K钢的要求。

(3)硬度检测

对螺栓进行表面硬度梯度及心部硬度试验,表面硬度205~300 HV10;心部硬度301~306HV10;螺栓硬度符合标准GB/T 3098.1-2010的相关规定,结果如图13-7所示。

图13-7 硬度梯度检测值


图13-7   硬度梯度检测值

(4)金相检查

断裂螺栓的心部金相组织,为回火索氏体,见图13-8。

断裂螺栓的螺纹处金相组织,螺纹表面有轻微脱碳,见图13-9。

图13-8 螺栓心部金相组织 图13-9螺纹表层金相组织  

13-8 螺栓心部金相组织                 图13-9螺纹表层金相组织

分析与讨

螺栓材质合格,断裂螺栓的心部金相组织为回火索氏体,热处理温度基本无问题,但热处理保护气氛控制不好,造成螺栓表面和螺纹表面有轻微脱碳,硬度检查时,表面硬度梯度比心部硬度稍低一些。螺栓断裂与材质、热处理、轻微脱碳等无直接关系。

断裂螺栓的断口有两个区域,其中一个区域被氧化腐蚀严重,另一个区域为新鲜断口。氧化严重的区域边缘有电镀时渗入的Zn、Cl等元素。该螺栓生产后未曾接触含有Cl的腐蚀物,只有在电镀时才能接触到Zn和Cl。螺栓断口边缘发现Zn和Cl,说明电镀前已有裂纹存在,电镀过程中从裂纹处渗入了Zn和Cl,随后的清洗过程中不能把裂纹内的电镀溶液清洗干净,使Zn和Cl残留在裂纹内。

断裂螺栓的断裂位置为螺纹收尾处,螺纹收尾处由位于螺栓头下,此处应力集中;在热处理冷却过程中,应力集中处生产淬火裂纹。

由于淬火裂纹的存在,裂纹在回火过程中被氧化,电镀过程中从裂纹处渗入了Zn和Cl。

该裂纹较深,使螺栓承载面积减小,从而导致其安装试验时提前断裂。

 结论与启示

(1)  螺栓头下存在一条较深的淬火裂纹,导致其安装试验时提前断裂。

(2)  全螺纹螺栓的螺纹收尾处位于螺栓头下,无论是滚压或搓丝螺纹,螺栓头下的螺纹收尾处位应力集中很明显;因此,建议在热处理前增加一次去应力退火,消除加工残余应力,防止热处理时在应力集中处生产淬火裂纹。

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