文档介绍：高强度螺栓断裂分析
高强度螺栓断裂分析
作者：上海交通大学 曾振鹏
摘要:采用断口分析、金相检验和硬度测定等方法，对高强度螺栓断裂原因进行了分析。断口分析结果说明，断口平坦，呈放射状把戏，微观形态主要为准解理把的嘴形。翻开内裂纹，发现其面积已根本占据了整个横截面，其形态与断裂断口十分相似。图3b为它的宏观形貌。从断口的宏观形态上可以看出，裂纹面较平坦，呈灰色，有明显的呈放射把戏的撕裂脊，放射线是从中心向四周放射的。比拟图3a和图3b可以看出，它们的形貌是相同的。裂纹断口的微观形态也是以准解理把戏为主加二次裂纹。断口的宏观、微观分析说明，该内裂纹断口与断裂断口本质上是一样的。
 
图5螺纹部位的横向内裂纹纵截面形态
(2)将剩余局部的螺栓沿中心纵向剖开，用10%***溶液侵蚀，发现材料心部有严重的碳偏析，存在明显的流线，见图6。这与金相观察结果是一致的。对存在偏析的显微组织进行显微硬度测定，，大大高于粒状贝氏体区域的硬度()。
 
图6螺栓材料内部的碳偏析
2分析与讨论 
 
化学成分分析说明，螺栓材料的化学成分符合35CrMoA钢的标准成分，其硬度也在技术要求范围内(但已接近上限)。但是从金相分析结果可以看出，材料的内在质量较差，心部存在碳偏析，不仅降低了材料的韧性和塑性，而且由于组织不均匀，引起心部硬度不均匀，最高硬度已达48HRC。同时，材料中存在严重的夹杂物，致使螺栓心部材料硬而脆，因此施加载荷后首先在心部产生裂纹，而后形成横向内裂纹。所谓钢材的碳偏析是指钢材内各部位含碳量的不均匀性。碳偏析是树枝状偏析的结果，而树枝状偏析又是选择结晶的结果。钢在结晶时，先形成枝干，然后形成枝间，先结晶的枝干比拟纯，碳浓度较低，而迟结晶的枝间碳浓度较高，形成碳分布不均。假设钢材或锻件树枝晶兴旺，那么钢的塑性和韧性降低，这种情况尤以中碳铬钼钢最为普遍，在压力加工时会形成流线，树枝晶偏析严重时还可使锻件破裂[3]。碳偏析是在冶金过程中由于种种原因造成的。紧固件原材料中的严重碳偏析会造成紧固件经热处理后各部位力学性能的显著差异。文献[4]报道，有一批某型汽车上的45钢螺栓，在使用中连续发生断裂事故，经检查发现，断裂是由心部开始，整个断口呈放射状脆断形貌，将这批螺栓所用钢材沿其轧制方向剖开，发现在试样中心存在着内部裂纹，经酸蚀后可看出严重的中心碳偏析。所以，可以认为，本例螺栓受载荷后产生脆性断裂和存在横向内裂纹是与螺栓材料内存在中心碳偏析有关。 
 
为什么内裂纹不象断口裂纹那样使螺栓断裂呢?这是因为拧紧螺母后，在螺杆上产生的轴向拉力分布是不均匀的，轴向力在旋合各圈罗纹牙间的分布呈双曲余弦函数关系，第一圈罗纹牙承受的轴向力最大，然后依次减小[5]。因为与横向内裂纹相对应的螺纹处的轴向应力小，所以螺栓没有断裂。 
 
虽然螺栓材料的化学成分符合35CrMoA钢标准，但其夹杂物含量较高(3～4级)，且存在中心碳偏析，因此认为，该批螺栓的材质是不合格的。 
3结论 
(1)螺栓的断裂为脆性断裂。 
(2)断裂的原因是因为螺栓材质不良———原材料棒中存在中心碳偏析以及严重的夹杂物。