高强度双头螺柱断裂失效分析

陈远林 谢 俊 黄安明

(德阳天元重工股份有限公司，四川618000)

高强度双头螺柱广泛应用于矿山机械、桥梁、体育场馆、吊塔、大跨度钢结构和大型建筑等，其质量好坏直接影响构件的安全性。40CrNiMo钢具有良好的综合性能，其淬透性高，低温韧性好，常用于制造高强度螺杆[1]。某厂家生产的10.9级高强度双头螺柱进行实物拉力试验时，在未达到规定破断载荷的情况下发生断裂。为了分析该双头螺柱发生断裂的原因，通过对该双头螺柱化学成分、力学性能和金相组织进行分析，并采用体视显微镜和SEM扫描电镜对其断口分别进行宏观形貌和微观形貌观察，最终确定断裂失效的主要原因。

1 取样观察

对断裂双头螺柱进行取样，取样示意图如图1所示。断口有明显的塑性变形。双头螺柱左侧和螺帽相连，螺帽距离断口位置约为25 mm，变形引起左侧断口侧面的表面镀层发生了剥离。右侧断口位置1和位置2断口平坦，其他位置有明显塑性变形，变形也引起了右侧断口侧面的表面镀层发生剥离。从断口侧面可见，断裂发生在螺纹沟槽处，断口附近其他螺纹沟槽处也已经开裂。

2 理化检验与金相分析

2.1 化学成分和力学性能

从断裂双头螺柱上取试样进行化学成分分析和力学性能分析。采用直读光谱仪进行成分检测，使用液压万能试验机进行拉伸试验。检测结果如表1、表2所示。

图1 断裂双头螺柱取样图Figure 1 Sampling drawing of fractured double-end stud

CSiMnPSCrNiMo平均值0.3950.2920.5780.01640.00590.7771.260.131标准值0.37～0.440.17～0.370.50～0.80--0.60～0.901.25～1.650.15～0.25

表2 拉伸性能Table 2 Tensile properties

根据标准GB/T 3077—2015《合金结构钢》和GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》，断裂的双头螺柱化学成分和力学性能均满足标准要求。

2.2 金相组织

在断口附近截取试样进行金相观察。双头螺柱金相组织如图2所示。金相为回火索氏体组织，金相组织正常。

3 断口分析

3.1 断口宏观形貌观察

对断口进行目视观察，如图3所示。断口位置1、2、3、4平坦，邻近双头螺柱的外表面是起裂开始位置。其余位置塑性变形大，为最后断裂位置。故主要对断口位置1、2、3、4进行观察。

图2 双头螺柱金相组织Figure 2 Metallographic structure of double-end stud

图3 断口整体形貌
Figure 3 Overall fracture morphology

用体视显微镜对断口位置1、2、3、4进行宏观形貌观察，由图3可知，位置1、2、3、4断口平坦，是起裂开始区域。起裂开始于双头螺柱沟槽处，其余侧面沟槽处均发生了开裂。位置1、3、4均有明显的放射线，根据放射线的收敛方向可知起裂的方向和位置。

3.2 断口微观形貌观察

利用扫描电镜对断口位置1、2、3、4进行微观形貌观察，结果如图4～7所示。位置1起裂源如图4(a)所示，起裂源位于双头螺柱表面沟槽处。在高倍数下观察起裂源，如图4(b)所示，起裂源处存在大量的氢鼓泡以及一些夹杂物。图5中的位置2也存在大量的氢鼓泡以及块状夹杂物。图6(a)中的位置3先在裂纹源2位置起裂，裂纹扩展到夹杂物聚集的位置，形成新的裂纹源并向前扩展。高倍数下的裂纹源2如图6(b)所示，裂纹源存在大量的氢鼓泡和球形夹杂物(氧化物)。图7(a)中的位置4先在裂纹源3起裂。高倍数下的裂纹源3如图7(b)所示，裂纹源也存在大量的氢鼓泡。

图4 位置1微观形貌Figure 4 Morphology of position No.1

图5 位置2微观形貌
Figure 5 Morphology of position No.2

图6 位置3微观形貌
Figure 6 Morphology of position No.3

图7 位置4微观形貌
Figure 7 Morphology of position No.4

4 综合分析

在双头螺柱的制造过程中，可能造成氢的渗入，导致双头螺柱靠近表面的位置存在氢鼓泡。首先氢原子渗入到双头螺柱表面的缺陷(空位、空洞、夹杂等)中，缺陷处的氢原子结合成氢分子，氢分子在表面缺陷处聚集使得此处氢压增大，压力继续增大，最后氢泡破裂，形成氢鼓泡[2]。在张拉过程中，双头螺柱表面的沟槽表面存在大量的氢鼓泡，再加上沟槽处截面积最小，所受应力最大。氢鼓泡受到拉应力的作用在沟槽表面形成微裂纹，最终导致了双头螺柱的断裂。

5 结论

(1)双头螺柱化学成分和力学性能均符合标准要求。

(2)双头螺柱金相为回火索氏体组织，金相组织正常。

(3)双头螺柱起裂位置位于表面沟槽处，沟槽表面的氢鼓泡导致双头螺柱在张拉过程中断裂。

(4)氢鼓泡产生于双头螺柱某制造过程中，双头螺柱表面的空洞、夹杂等缺陷提供了氢鼓泡的条件。