案例分享：10.9級(jí)螺栓斷裂原因分析
某螺栓在使用時(shí)間約1000h后發(fā)生斷裂，宏觀形貌如圖1所示，螺栓級(jí)別為10.9級(jí)，現(xiàn)對(duì)螺栓的斷裂原因進(jìn)行分析。
圖1 斷裂螺栓宏觀形貌
螺栓斷口裂紋起源位于螺栓中部螺桿與螺紋過(guò)渡處的第一個(gè)螺紋根部，如圖2所示。斷口未見(jiàn)明顯塑性變形，斷口表面局部磨損，裂紋源及擴(kuò)展區(qū)平整隱約可見(jiàn)貝紋線(xiàn)，瞬斷區(qū)存在一較小區(qū)域的剪切唇，為韌性斷裂。宏觀特征可以判斷螺栓斷裂模式為疲勞斷裂。
圖2 螺栓斷口的宏觀形貌
截取螺栓樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。化學(xué)成分符合GB/T3098.1—2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)10.9級(jí)螺栓的技術(shù)要求。
表1 螺栓樣品化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
（3）微觀形貌分析
將螺栓斷口清洗后置于掃描電鏡下觀察，圖3為螺栓斷口的SEM形貌，裂紋源處螺紋根部表面存在大量龜裂形貌，裂紋源斷面局部磨損擦傷，未擦傷區(qū)域存在疲勞輝紋；螺栓斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌，局部存在擦傷，未擦傷區(qū)可見(jiàn)疲勞輝紋；最終斷裂區(qū)形貌，為韌窩形貌。
圖3 螺栓斷口的SEM形貌
圖4~圖6為裂紋源區(qū)斷面拋光態(tài)及侵蝕態(tài)形貌，裂紋源及擴(kuò)展區(qū)斷面較為平整。螺栓表面存在脫碳現(xiàn)象，裂紋源附近表面存在大量細(xì)小裂紋，大多數(shù)裂紋位于螺栓表面全脫碳層，全脫碳層深度約為10.19μm。斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)較平整，裂紋擴(kuò)展方式為穿晶擴(kuò)展。最終瞬斷區(qū)表面顯微形貌呈鋸齒狀。斷口源區(qū)的顯微組織為的鐵素體+回火索氏體，部分鐵素體呈針狀及沿晶分布。
圖4 裂紋源處拋光態(tài)形貌
圖5 裂紋源處侵蝕態(tài)形貌
圖6 螺栓裂紋源附近表面顯微形貌
根據(jù)GB/T 10561—2005，實(shí)際檢驗(yàn)A法，對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果為：A0.5，B1.0，C0.5，D0.5，DS0，如圖7所示。基體顯微組織為回火索氏體，如圖8所示。
圖7 斷裂螺栓基體非金屬夾雜物形貌
圖8 斷裂螺栓基體顯微組織形貌
截取斷裂螺栓硬度試樣，進(jìn)行維氏硬度測(cè)定，結(jié)果如表2所示。斷裂螺栓硬度符合GB/T 3098.1—2010對(duì)10.9 級(jí)螺栓的技術(shù)要求。
表2 維氏硬度檢測(cè)結(jié)果
螺栓的化學(xué)成分及心部硬度均符合GB/T 3098.1—2010對(duì)10.9 級(jí)螺栓的技術(shù)要求；斷口宏觀及微觀分析可判斷螺栓斷裂模式為疲勞斷裂，裂紋源位于螺栓中部螺桿與螺紋過(guò)渡處的第一個(gè)螺紋根部，裂紋源處螺紋根部表面存在大量龜裂形貌；金相檢驗(yàn)表明螺栓表面存在脫碳現(xiàn)象，裂紋源附近表面存在大量微裂紋，微裂紋位于螺栓表面全脫碳層，斷口源區(qū)的顯微組織為的鐵素體+回火索氏體，基體顯微組織為回火索氏體。裂紋源螺紋根部未見(jiàn)加工變形組織，表明螺栓制造工藝為先加工螺紋后進(jìn)行熱處理，熱處理過(guò)程中造成螺栓表面脫碳，表面形成一厚度約10.19μm的鐵素體層，鐵素體的存在降低了螺栓表面的疲勞強(qiáng)度，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。螺栓的斷裂模式為疲勞斷裂，裂紋起源于螺栓桿部與螺紋過(guò)渡處的第一個(gè)螺紋根部，第一個(gè)螺紋根部存在較大應(yīng)力集中，螺栓表面存在全脫碳現(xiàn)象，降低了螺栓表面的強(qiáng)度，在安裝使用過(guò)程中容易萌生裂紋，在交變應(yīng)力作用下，裂紋以疲勞方式擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至剩余截面不能承受工作應(yīng)力時(shí)，發(fā)生斷裂。螺栓表面存在完全脫碳層，降低了螺栓表面的疲勞強(qiáng)度，裂紋于螺栓桿部與螺紋過(guò)渡處第一個(gè)螺紋根部的應(yīng)力集中處萌生，在交變應(yīng)力作用下，裂紋以疲勞方式擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至剩余截面不能承受工作應(yīng)力時(shí)，發(fā)生斷裂。建議在螺栓熱處理時(shí)進(jìn)行氣體保護(hù)，防止螺栓表面脫碳，或先進(jìn)行熱處理再進(jìn)行螺紋的加工。
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作者：張澤岳
單位：迪合光電科技（上海）有限公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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