江苏省特种设备安全监督检验研究院徐州分院 江苏徐州 221007
某厂生产的重型机械在行进途中，所用车桥轮毂的紧固螺栓断裂，螺栓规格：M22×1.5，形状如图1所示。断口形貌见图2。
螺栓材质为40Cr，螺栓所要达到的性能指标和具体工艺不详，应企业要求，现对其进行断裂失效分析。
1、化学成分分析
经线切割后，在螺栓断面接近中心处取样，按照40Cr主要成分先进行了常规5元素（C,Si,Mn,S,P）及Cr,Mo两元素的化学分析，结果(质量分数) 及标准成分（GB/T3077-1999）对照表见表1。
40Cr为低合金调质钢，淬透性高于碳钢，油淬临界直径达17-30mm，水淬临界直径30mm以上。经调质处理后具有良好的综合力学性能，常用于在交变载荷作用下工作的重要零件。
成分分析结果显示，该螺栓的化学成分符合40Cr钢标准成分要求。
2、断口宏观形貌分析
螺栓断面与螺栓轴线垂直，断口表面经过清洗后发现（如图2所示），中间部分区域已经发生氧化，在断口上不能找到明显的放射线的汇集区域。在断口的右侧存在明显的剪切唇，所以应该属于最后的断裂区域。在断口左下侧存在平坦区域，因此判断此处为裂纹源的位置。
3、金相组织分析
图3、图4为螺栓的金相照片，其组织为回火索氏体+铁素体，铁素体呈游离块状，分布不均。组织中块状游离态铁素体的出现，主要是由于热处理加热过程中加热温度偏低或保温时间不足，也即热处理不充分，造成部分铁素体未能完全溶解于奥氏体，并在随后的冷却过程中保留下来。这种游离态铁素体组织属淬火欠热组织，其硬度低，强度也低，大大降低了钢的使用性能，尤其是显著降低钢的冲击韧性。
另外，金相照片还发现不少黑点存在，初步判定为夹杂或者热处理过程中脱碳造成，确切的构成可以通过区域能谱分析进行进一步的确认。但是不管是夹杂还是石墨，都会在一定程度上割裂基体，减少承载面，降低材料力学性能，有时甚至会成为裂纹萌生源，继而不断扩展而最终完全断裂。
平均312/30.3315/30.7335/32.7344/34.0
根据“GB/T 3098.1-2010紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱”要求，M22×1.5对应于10.9级规定，维氏硬度在HV320-380之间，最小拉力载荷346000N，保证载荷376000N，国标规定表面硬度允许高于芯部硬度，其最大差值为30个维氏硬度值（螺栓表面没有渗碳处理的情况）。
表1硬度测试结果表明，螺栓表面没有渗碳处理的前提下，表面与芯部的硬度差值分别为23和32个维氏硬度值，基本符合GB/T 3098.1-2010中10.9级螺栓标准要求，但是心部及1/2R处显微硬度已经低于国标要求的下限值HV320，也即此螺栓强度偏低。
5、扫描电镜、能谱分析
扫描电镜结果见图5所示，能谱分析结果见图6所示。
（1）从SEM照片中发现，试样中部区域存在明显的解理台阶，为解理断裂，边缘则出现剪切唇，因此综合判定为准解理断裂，属于脆性断裂。
（2）在SEM下没有观察到明显的疲劳条纹，说明零件服役时所受的交变载荷作用不大，疲劳断裂作用不明显。
（3）扫描电镜发现试样中含有夹杂物（如图5所示），经能谱仪对该夹杂物进行元素扫描后发现其中含有Ca、O元素（如图6所示），初步判定为CaO之类的夹杂。
（4）SEM发现，材料内部存在大量微小裂纹，且主要存在于夹杂物附近。在交变载荷的作用下，这些微小裂纹连接并扩展，最后导致断裂。
6、结论与建议
（1）SEM及能谱分析显示，原材料中存在夹杂，且在夹杂物附近发现大量微小裂纹，即夹杂形成裂纹萌生源，在材料综合性能下降的情况下，裂纹不断扩展而最终完全断裂。
（2）该螺栓热处理不足，造成钢中存在块状游离铁素体，从而使钢材综合性能尤其是冲击韧性下降，也加快了螺栓断裂。
（3）由于没能提供详细的螺栓技术要求及标准等级，这里仅以根据“GB/T 3098.1-2010之10.9级规定做比较，该螺栓心部附近显微硬度值低于国标要求的下限值HV320，螺栓强度整体偏低。
（4）建议追踪同批次螺栓去向，做好更换工作，以免造成更多损失，同时在今后要加强原材料冶金质量的监督抽查，加强并确保材料热处理工艺的正确执行，有必要螺栓产品分批次进行质量抽查（可第三方抽查）。
论文作者:汪剑
论文发表刊物:《基层建设》2016年36期
论文发表时间:2017/3/29
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