螺栓断裂失效原因分析

测试与分析

螺栓断裂失效原因分析

华南理工大学机电系(广州　510641) 　高　岩　李　林　许麟康

【摘要】　合金结构钢(相当于我国35CrMo 钢) 制螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖, 在生产线上用气动搬手装配时

相当部分发生断裂。失效分析结果表明, 机加工时螺纹根部及表面形成微裂纹, 以及回火不足, 硬度偏高, 共同造成了螺栓失效。

关键词:低合金钢　螺栓　微裂纹

F ailure Analysis on the Fracture of Bolts

G ao Yan ,Li Lin ,Xu Linkang

(Department of Mechano 2Electronic Engineering ,S outh China University of Technology , Guangzhou 510641)

【Abstract 】　A batch of bolts with size of M4×1135used to connect cylinder body and cover of air conditioner com pressor were made of imported low alloy steel close to 35CrMo in com position 1However ,a great proportion of the bolts fractured when being assembled us 2ing pneumatic spanner 1After failure analysis ,it was found that the main reason for the ru pture of bolts was the micro 2cracks induced by machining. At the same time ,non 2enough tempering which resulted in the brittleness of the material also accounted for the fracture 1K ey w ords :low alloy steel ,bolt ,micro 2crack

　　某标准件公司一批螺栓, 规格为M4×1135, 材料为合金结构钢, 相当于我国的35CrMo 钢, 冷墩头部, 搓制螺纹, 热处理工艺为淬火+回火, 并进行发兰处理, 规定σb >1000MPa , (32～38) HRC 。螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖, 但在生产线上用气动搬手装配时相当部分螺栓在与螺栓交截的第二、第三螺纹牙根处发生断裂。我们对该批螺栓的断裂原因进行了分析。

1　金相观察及硬度分析

在一批断裂螺栓中随机选取2个断裂螺栓头, 将其沿轴向剖开, 制备轴向剖面的金相试样, 抛光状态(未侵蚀) 下可见在螺纹尖端和根部有明显裂纹存在(图略) ; 这些微裂纹由于高度的应力集中, 在外力作用下极容易发生失稳扩展, 从而导致螺栓断裂。

将上述抛光态试样用3%硝酸酒精溶液侵蚀后在显微镜下观察, 发现其组织形态都很相似, 为保持原马氏体位向的回火索氏体, 见图1所示。35CrMo 钢用作螺栓时, 应有较好的综合力学性能, 其组织应以调质状态为佳, 即淬火+回火后得到回火索氏体。而本例中螺栓组织状态虽是回火索氏体, 但原马氏体位向十分明显, 显然会使材料的塑性和韧性受损, 脆性增加, 材料硬度也会增加。沿螺牙顶端到根部依次打硬度, 所得结果见表1, 可见硬度范围为(37～41) HRC , 偏高于螺栓规定的硬度范围。螺栓硬度偏高的原因主要是回火不足或不充分造成的。

图1　螺栓基体组织　×500表1　螺栓的硬度HRC

选点试样1试样2

14140

23739. 5

33941

43939

53737

2　扫描电镜观察分析

为弄清螺栓断裂的机理, 按断口形貌特征选取了9个样

品, 将其用物理方法清洗干净后置于扫描电镜下进行观察, 发现断口有3种类型:第1类是断口边缘只有一个剪切唇(1号样品) , 第2类是断口边缘有2个剪切唇(2号样品) , 第3

高岩:女,35岁, 工学硕士, 讲师, 曾以访问学者身份在葡萄牙焊接质量研究所(ISQ ) 工作, 兼任中国机械工程学会失效分析分会失效分析工程师。主要从事高温合金, 金属材料的腐蚀与防护, 失效分析及工业设备寿命评估等方面的工作。已在国内外学术刊物上发表论文10余篇。收稿日期:1997年8月19

日。

类是断口边缘有3个剪切唇(3号样品) , 且以第3类断口数量居多。图2是2号样品的宏观断口形貌。这些断口边缘除剪切唇处或凸起或凹进以外, 其余边缘处都较平滑, 这与一般断裂由心部起源, 最后断裂边缘处为杯口状剪切唇的断口形貌特征显然不同, 而且, 从断口的放射辉纹的走向看, 断裂的起源都在断口的边缘即螺纹的根部上, 而不是在螺栓的心部。对3类断口分别在扫描电镜下进行了详细的观察, 图3a ～3d 为2号样品的微观形貌。a 是始断区, 从右侧的螺纹面上可见明显发兰处理后的表面氧化膜, 在螺纹面与断口的交界处(即螺纹根部) 可见二次裂纹和摩擦痕存在; 将a 放大至b , 可见摩擦痕底下是氧化物, 而摩擦痕明显位于断口一侧, 由此可以推断:此摩擦痕处在断裂前就已经有裂纹存在, 裂纹为搓制螺纹时所产生, 在随后的发兰处理过程中此裂纹内部也进行了发兰处理, 形成了氧化膜, 其形态与螺旋表面的发兰膜相

34《金属热处理》1998年第2

期

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图2　2号断口的低倍形貌

似, 在生产线上装配时, 此裂纹作为裂纹源, 在外力作用下迅

速发生失稳扩展, 导致螺栓被扭断, 而其上的氧化膜也在扭断过程中受摩擦而形成摩擦痕;c 是a 中断口部位的局部放大, 可见为典型的韧窝聚集型断口;d 是靠近终断区的形貌, 可见终断区仍为韧窝聚集型断裂, 只是与始断区相比, 终断区的韧窝有被拉长的痕迹。

图4是1号样品始断区低倍形貌, 可见断口与螺纹面交界处有一厚薄不均匀的发黑区域, 将其放大时其特征与2号样品始断区特征相同; 对其余断口也进行了观察, 发现其特征与1号、2号样品的特征都相同。

由此可见, 虽然上述3类断口宏观形貌有些不同, 但其微观断裂机理都是一致的, 即都是以螺纹根部的搓制裂纹为断

图3　2号样品的微观形貌

(a ) 始断区　(b ) 始断区　(c ) 中心区　(d )

终断区

裂起源处, 在生产装配应力作用下裂纹发生失稳扩展, 引起螺

栓瞬间断裂。断口宏观剪切唇数量的不同主要与螺纹根部的裂纹源数目不同有关。

3　结论

(1) 在搓制螺纹过程中在螺纹根部及表面形成了微裂

纹, 这些微裂纹在随后的生产装配应力作用下迅速发生失稳扩展, 造成螺栓瞬间发生多源或单源断裂失效。

(2) 螺栓回火不足, 硬度偏高, 造成材料脆性增加, 这有助于裂纹的失稳扩展。

(3) 螺栓断裂虽是在外部装配应力作用下的瞬间断裂, 但由于材料较好的韧性, 其断口仍主要表现为韧窝聚集型断裂的特征。

图4　1号样品始断区的微观形貌

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