40Cr材质螺栓装配断裂分析

郭 涛，黄 超

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖241000）

0 引言

螺栓作为重要的紧固件，其失效引起的结果往往具有较大的危害性。螺栓断裂失效研究的文献也集中于高强螺栓，其中对高强螺栓的研究主要以氢脆为主[1-5]，其中也有部分螺栓是由于疲劳[6，7]或者材料自身缺陷[8]导致的断裂，对螺栓装配不当引起的高强螺栓断裂报导较少。

在对某液压阀进行装配时，96件该螺栓在装配过程中有2件发生断裂。所有螺栓均为新件且检验合格。螺栓规格为M10内六角螺栓，12.9级（GB/T 70.1）。螺栓材质为40Cr，表面处理采用氧化发黑，二次达克罗表面处理。为防止该断裂的再次发生，通过对螺栓进行外观观察，对螺栓断口进行宏微观观察，结合螺栓材料的金相组织、硬度等检测结果，确定了螺栓断裂性质，并对其失效原因进行了分析，给出了预防措施。

图1 螺栓头靠螺杆侧端面外观

1 试验过程与结果

1.1 外观观察

试验选取3件螺栓，其中2件为安装后断裂螺栓（编号为1#螺栓和2#螺栓），另一件为安装后未断裂螺栓（编号为3#螺栓）。如图1(a）～图1(c）所示，从3件螺栓头的装配损伤痕迹来看，1#和2#螺栓头靠螺杆侧端面磨损较严重，3#螺栓头靠螺杆侧端面轻微磨损，表明断裂的1#和2#螺栓装配应力相对较大。

1.2 体式观察

对螺栓超声波清洗后进行体式镜观察。1#螺栓断面下第一扣螺纹处部分已被磨平，未磨平的螺纹还可见塑性变形，见图2（a）.2#螺栓多处螺纹已经被磨平，且靠近断裂位置可见轻微的塑性变形，如图2（b）.3#螺栓完整，螺纹部位未发现明显螺纹磨平的痕迹，如图2（c）.从以上3件螺栓的螺纹磨损痕迹来看，也表明断裂的1#和2#螺栓装配应力相对较大。

螺栓断口清洗后，锈蚀断面基本被清除，。1#螺栓断面较平坦，呈灰色，见图3（a）.2#螺栓断面呈灰色，可见明显的放射棱线，从棱线汇聚方向可判断其起源于螺栓表面，见图3（b）.

1.3 断口微观观察

将螺栓断口经超声波清洗后进行扫描电镜观察。1#螺栓断口心部为等轴韧窝，边缘为剪切韧窝，见图4，可判断1#螺栓为过载断裂。2#螺栓断口可见明显的放射棱线汇聚于表面一侧，对该区放大主要呈韧窝特征，还可见少量的解理特征，其它区域边缘为拉长韧窝，心部为等轴韧窝形貌，见图5.由此判断2#螺栓也为过载断裂。

图4 1#螺栓断口微观形貌

图5 2#螺栓断口微观形貌

1.4 金相组织检查

在螺栓断口附近截取金相试样，磨制抛光经4%硝酸酒精腐蚀后进行金相组织检查。螺栓组织均匀，为回火索氏体组织，未见其它异常，见图6.

图6 螺栓金相组织

1.5 硬度检测

在螺栓断口附近截取硬度试样，由于试样较小，采用A标尺洛氏硬度（HRA）进行测试，并根据GB/T 1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》换算成C标尺的洛氏硬度值（HRC）和抗拉强度（σb），结果见表1.由测试结果可知，断裂螺栓和完好螺栓硬度值均较均匀，硬度平均值相当，符合GB/T 3098.1-2000中12.9级中对螺栓的技术要求。

表1 螺栓硬度测试结果

1.6 氢含量检测

在断裂螺栓和同批次螺栓上分别进行氢含量测试，测试结果见表2.由表2结果可知，断裂螺栓的氢含量为1.5 ppm，同批次完好螺栓氢含量为1 ppm.

表2 螺栓氢含量测试结果（ppm）

2 分析与讨论

宏微观观察可知，1#、2#螺栓断口均主要为韧窝特征，可判断螺栓断裂性质为过载断裂。1#、2#、3#螺栓组织均匀，为回火索氏体，符合40Cr材料调质处理的组织要求；3件螺栓硬度值相当，HRC平均值分别为 40.2、40.4和 40.4，符合螺栓技术要求（GB/T 3098.1-2000中 12.9级螺栓，σb≥1 200 MPa，HRC 的测试值在39～44，可知螺栓断裂与材质无关。断裂螺栓和完好螺栓的氢含量相差不大，分别为1.5 ppm和1 ppm，可知氢对本次螺栓断裂的影响也不大。

断裂的1#和2#螺栓的螺纹可见磨损和变形痕迹，螺栓头靠螺杆侧端面处磨损相对更严重，而完好的3#螺栓的螺纹外观完整，螺栓头靠螺杆侧端面未见严重磨损痕迹，可推断断裂螺栓在安装过程中由于装配应力较大，导致螺栓发生断裂。

综上所述，2件断裂螺栓为过载断裂，其断裂与过大的装配应力有关。建议在液压阀装配过程严格控制螺栓安装过程，使用力矩扳手等工具控制安装应力。

3 结论与建议

（1）2件螺栓断裂螺栓为过载断裂，其断裂与过大的装配应力有关；

（2）螺栓组织均匀，硬度值符合技术要求；

（3）建议严格控制螺栓安装过程。