45鋼雙頭螺柱斷裂失效分析

45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的強(qiáng)度和硬度，廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)制作承受負(fù)荷較大的小截面調(diào)質(zhì)件和應(yīng)力較小的大型正火零件，以及對(duì)心部強(qiáng)度要求不高的表面淬火零件等。本文主要研究了某45鋼M16雙頭螺柱在服役過(guò)程中出現(xiàn)斷裂，并對(duì)斷裂機(jī)理進(jìn)行了研究分析。具體斷裂形貌如圖1所示。

斷裂位置位于雙頭螺柱螺紋部位，斷面較為平整，未見(jiàn)腐蝕色彩，裂紋源區(qū)位于螺紋牙底部位，為單一裂紋源；擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)斷面的3/4，說(shuō)明該斷裂雙頭螺柱所受載荷較低；瞬斷區(qū)與斷面呈45°夾角。

裂紋起源于螺紋牙底，斷口較為平齊，未見(jiàn)明顯塑性變形，未見(jiàn)腐蝕色彩，斷面呈灰色特征。斷口源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)呈疲勞特征；瞬斷區(qū)呈韌窩特征。

對(duì)螺柱斷裂位置進(jìn)行取樣，腐蝕劑選用4%硝酸酒精溶液，試樣制備依據(jù)GB/T 13298—2015進(jìn)行，對(duì)制好的試樣進(jìn)行金相分析。

金相分析結(jié)果表明，表層未見(jiàn)脫碳現(xiàn)象，心部為未淬透組織，顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體+片層狀珠光體組織，表層為高溫回火組織，無(wú)脫碳現(xiàn)象；非金屬夾雜物主要為C類(lèi)細(xì)系2級(jí)及DS類(lèi)1.5級(jí)。

對(duì)拆卸下來(lái)的雙頭螺柱，進(jìn)行破壞拉力和硬度分析。

該斷裂件和拆卸下來(lái)的完好件，破壞拉力和硬度值均滿(mǎn)足8.8級(jí)螺栓硬度值要求，但硬度值存在不均勻現(xiàn)象，處于標(biāo)準(zhǔn)值下限。

該斷裂件斷口為疲勞斷口，未見(jiàn)氧化腐蝕色彩，如圖4所示；顯微組織不均勻，心部為鐵素體+珠光體組織，表層為回火索氏體結(jié)構(gòu)，存在未淬透現(xiàn)象；螺紋牙側(cè)非承載面中徑以上存在折疊，牙根部位有折疊等不連續(xù)性缺陷；單件硬度值表層和心部相差較大，平均值處于標(biāo)準(zhǔn)值下限。

通過(guò)觀察斷裂雙頭螺柱外表面，裂紋源區(qū)相對(duì)的表面鍍層局部磨損較為嚴(yán)重；說(shuō)明雙頭螺柱在使用過(guò)程中存在偏載現(xiàn)象，造成局部應(yīng)力集中。

綜上所述，該45鋼雙頭螺柱在服役過(guò)程中發(fā)生斷裂，斷裂形式為單源疲勞斷裂；淬火過(guò)程中存在未淬透現(xiàn)象，顯微組織為非單一均勻回火索氏體結(jié)構(gòu)；存在安裝偏載現(xiàn)象^[1]，在后期服役中受力不均勻，造成螺紋根部局部應(yīng)力集中，受到反復(fù)交變載荷作用，致使裂紋萌生直至斷裂。

建議加強(qiáng)對(duì)45鋼雙頭螺柱熱處理工藝控制，GB/T 3098.1—2010規(guī)定對(duì)8.8級(jí)性能等級(jí)用的材料，應(yīng)有足夠的淬透性，以確保緊固件螺紋截面的心部在淬硬狀態(tài)，回火前獲得約90%的馬氏體組織，因此建議選用淬透性更好的合金結(jié)構(gòu)鋼，保持顯微組織的一致性；進(jìn)一步對(duì)安裝過(guò)程進(jìn)行控制，確保螺柱在服役過(guò)程中受力均勻。