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      高強(qiáng)度雙頭螺柱斷裂失效分析

      2020-05-18 02:37:02陳遠(yuǎn)林黃安明
      大型鑄鍛件 2020年3期
      關(guān)鍵詞:雙頭螺柱溝槽

      陳遠(yuǎn)林 謝 俊 黃安明

      (德陽天元重工股份有限公司,四川618000)

      高強(qiáng)度雙頭螺柱廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、橋梁、體育場(chǎng)館、吊塔、大跨度鋼結(jié)構(gòu)和大型建筑等,其質(zhì)量好壞直接影響構(gòu)件的安全性。40CrNiMo鋼具有良好的綜合性能,其淬透性高,低溫韌性好,常用于制造高強(qiáng)度螺桿[1]。某廠家生產(chǎn)的10.9級(jí)高強(qiáng)度雙頭螺柱進(jìn)行實(shí)物拉力試驗(yàn)時(shí),在未達(dá)到規(guī)定破斷載荷的情況下發(fā)生斷裂。為了分析該雙頭螺柱發(fā)生斷裂的原因,通過對(duì)該雙頭螺柱化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織進(jìn)行分析,并采用體視顯微鏡和SEM掃描電鏡對(duì)其斷口分別進(jìn)行宏觀形貌和微觀形貌觀察,最終確定斷裂失效的主要原因。

      1 取樣觀察

      對(duì)斷裂雙頭螺柱進(jìn)行取樣,取樣示意圖如圖1所示。斷口有明顯的塑性變形。雙頭螺柱左側(cè)和螺帽相連,螺帽距離斷口位置約為25 mm,變形引起左側(cè)斷口側(cè)面的表面鍍層發(fā)生了剝離。右側(cè)斷口位置1和位置2斷口平坦,其他位置有明顯塑性變形,變形也引起了右側(cè)斷口側(cè)面的表面鍍層發(fā)生剝離。從斷口側(cè)面可見,斷裂發(fā)生在螺紋溝槽處,斷口附近其他螺紋溝槽處也已經(jīng)開裂。

      2 理化檢驗(yàn)與金相分析

      2.1 化學(xué)成分和力學(xué)性能

      從斷裂雙頭螺柱上取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能分析。采用直讀光譜儀進(jìn)行成分檢測(cè),使用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。

      圖1 斷裂雙頭螺柱取樣圖Figure 1 Sampling drawing of fractured double-end stud

      CSiMnPSCrNiMo平均值0.3950.2920.5780.01640.00590.7771.260.131標(biāo)準(zhǔn)值0.37~0.440.17~0.370.50~0.80--0.60~0.901.25~1.650.15~0.25

      表2 拉伸性能Table 2 Tensile properties

      根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》和GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》,斷裂的雙頭螺柱化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

      2.2 金相組織

      在斷口附近截取試樣進(jìn)行金相觀察。雙頭螺柱金相組織如圖2所示。金相為回火索氏體組織,金相組織正常。

      3 斷口分析

      3.1 斷口宏觀形貌觀察

      對(duì)斷口進(jìn)行目視觀察,如圖3所示。斷口位置1、2、3、4平坦,鄰近雙頭螺柱的外表面是起裂開始位置。其余位置塑性變形大,為最后斷裂位置。故主要對(duì)斷口位置1、2、3、4進(jìn)行觀察。

      圖2 雙頭螺柱金相組織Figure 2 Metallographic structure of double-end stud

      圖3 斷口整體形貌
      Figure 3 Overall fracture morphology

      用體視顯微鏡對(duì)斷口位置1、2、3、4進(jìn)行宏觀形貌觀察,由圖3可知,位置1、2、3、4斷口平坦,是起裂開始區(qū)域。起裂開始于雙頭螺柱溝槽處,其余側(cè)面溝槽處均發(fā)生了開裂。位置1、3、4均有明顯的放射線,根據(jù)放射線的收斂方向可知起裂的方向和位置。

      3.2 斷口微觀形貌觀察

      利用掃描電鏡對(duì)斷口位置1、2、3、4進(jìn)行微觀形貌觀察,結(jié)果如圖4~7所示。位置1起裂源如圖4(a)所示,起裂源位于雙頭螺柱表面溝槽處。在高倍數(shù)下觀察起裂源,如圖4(b)所示,起裂源處存在大量的氫鼓泡以及一些夾雜物。圖5中的位置2也存在大量的氫鼓泡以及塊狀?yuàn)A雜物。圖6(a)中的位置3先在裂紋源2位置起裂,裂紋擴(kuò)展到夾雜物聚集的位置,形成新的裂紋源并向前擴(kuò)展。高倍數(shù)下的裂紋源2如圖6(b)所示,裂紋源存在大量的氫鼓泡和球形夾雜物(氧化物)。圖7(a)中的位置4先在裂紋源3起裂。高倍數(shù)下的裂紋源3如圖7(b)所示,裂紋源也存在大量的氫鼓泡。

      圖4 位置1微觀形貌Figure 4 Morphology of position No.1

      圖5 位置2微觀形貌
      Figure 5 Morphology of position No.2

      圖6 位置3微觀形貌
      Figure 6 Morphology of position No.3

      圖7 位置4微觀形貌
      Figure 7 Morphology of position No.4

      4 綜合分析

      在雙頭螺柱的制造過程中,可能造成氫的滲入,導(dǎo)致雙頭螺柱靠近表面的位置存在氫鼓泡。首先氫原子滲入到雙頭螺柱表面的缺陷(空位、空洞、夾雜等)中,缺陷處的氫原子結(jié)合成氫分子,氫分子在表面缺陷處聚集使得此處氫壓增大,壓力繼續(xù)增大,最后氫泡破裂,形成氫鼓泡[2]。在張拉過程中,雙頭螺柱表面的溝槽表面存在大量的氫鼓泡,再加上溝槽處截面積最小,所受應(yīng)力最大。氫鼓泡受到拉應(yīng)力的作用在溝槽表面形成微裂紋,最終導(dǎo)致了雙頭螺柱的斷裂。

      5 結(jié)論

      (1)雙頭螺柱化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

      (2)雙頭螺柱金相為回火索氏體組織,金相組織正常。

      (3)雙頭螺柱起裂位置位于表面溝槽處,溝槽表面的氫鼓泡導(dǎo)致雙頭螺柱在張拉過程中斷裂。

      (4)氫鼓泡產(chǎn)生于雙頭螺柱某制造過程中,雙頭螺柱表面的空洞、夾雜等缺陷提供了氫鼓泡的條件。

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