一种高强度螺栓裂纹分析

李晖榕

（福建省锅炉压力容器检验研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

1 前言

螺栓主要用于紧固和连接，对于一些高标准组合件的质量和性能要求尤为重要，如航空工业、特种设备行业、特殊制造业等等。在对一种高强度螺栓热处理后进行表面磁粉检测后，发现其中有两件螺栓出现裂纹，再通过低倍观察发现（如图1），裂纹沿螺栓的轴向分布，裂纹在螺栓表面分布平直，裂纹深度1.2mm左右。螺栓材料为30CrMnSiA合金结构钢，螺栓的生产工艺为：棒料→淬回火[1]→探伤→机械加工→检验，螺栓淬回火既能保证表面耐磨性和强度，也能保证韧性和塑性。

文中通过对30CrMnSiA螺栓的化学成分、非金属夹杂、金相组织、脱碳层深度、硬度检测等方法进行研究，分析其开裂原因，并提出预防和改进措施。

图1 有裂纹螺栓宏观形貌

2 实验过程与结果分析

2.1 化学成分分析

对裂纹螺栓取样进行化学成分分析，分析结果见表1。结果表明，其化学成分符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》的要求。

表1 螺栓化学成分（质量分数，%）

2.2 硬度分析

选取合格工件和存在裂纹工件进行硬度检测分析，结果见表2。结果表明，合格螺栓的硬度在HRC 33.0～34.5HRC之间，裂纹螺栓基体硬度同样在HRC 32.0～35.0HRC之间，均满足HRC30.0～36.0HRC的技术要求；但在裂纹区附近的硬度仅为HRC26.0～33.5HRC之间，表明裂纹区附近基体的硬度不符合要求。

表2 螺栓硬度检测（HRC）

2.3 裂纹形貌及非金属夹杂物分析

在螺栓裂纹附近进行取样，经抛光处理后，进行非金属夹杂物显微组织观察。从图2可知，裂纹从表层到芯部呈现漏斗状，表层裂纹平直，但芯部裂纹出现曲折、分叉，同时裂纹内部发现有部分游离状氧化物存在。

螺栓基体中未发现有非金属夹杂物，但裂纹边缘3µm～5µm范围出现有点状物存在。

图2 螺栓裂纹形貌及非金属夹杂物组织

2.4 脱碳层深度和显微组织分析

对裂纹螺栓试样抛光后用4%的硝酸酒精腐蚀，进行金相显微组织观察，结果如图3和图4所示。从图3可知，表层脱碳层厚度约100µm，随着裂纹深度的增加脱碳层厚度减小为5µm左右，直至消失，在裂纹根部两侧未发现脱碳层，表明脱碳层厚度沿着裂纹扩展深度的增加而逐渐减少；说明在淬火过程裂纹沿原始裂纹方向逐渐扩展[2]。随着深度增加，裂纹宽度逐渐减小，表面与芯部裂纹之间的吻合性较差，同时，在试样其他正常部位也发现有脱碳层存在，厚度约25µm左右，认为淬火前裂纹已经存在。

图3 螺栓试样脱碳层

从图4可知，螺栓的显微组织为：保持马氏体位向的回火索氏体。符合30CrMnSiA材料正常的淬火+高温回火组织，说明热处理过程与结果满足要求。

图4 螺栓显微组织

2.5 失效分析

根据上述分析结果，表1所示的化学成分符合标准的要求；表2裂纹区附近的硬度分布不均匀，硬度在26.0HRC～33.5HRC之间，不符合30.0HRC～36.0HRC的要求（基体硬度为32.0HRC～35.0HRC，符合要求），说明在裂纹区附近材料组织不均匀，从而造成局部硬度不均。

从图3中螺栓的裂纹形貌及非金属夹杂物观察显示，裂纹从表层到芯部宽度不等，裂纹吻合性差，裂纹中间有氧化物等；同时，裂纹边缘有明显脱碳现象，脱碳层厚度随裂纹深度的增加逐渐减少。从图4结果可知，基体组织为回火索氏体，为螺栓30CrMnSiA材料正常的高温回火组织。

通过上述分析认为，螺栓在热处理前已经存在裂纹，淬火过程并未产生新的裂纹，但促使原始裂纹扩大并往芯部扩展，最终形成宏观裂纹。

3 结论及建议

螺栓材料中的原始裂纹为裂纹源，在热处理过程中原始裂纹进一步扩展，形成宏观裂纹。因此在生产过程中应严格控制原材料质量及来料验收，同时，严格控制生产过程各个环节，避免因材料缺陷和生产监管缺失造成重大质量和安全问题。