45钢双头螺柱断裂失效分析

顾培育，程全士，窦建伟，许永春，张钦莹，李晓峰

1.南京铺镇海泰制动设备有限公司 江苏南京 211800

2.中国航天科工集团公司标准紧固件研究检测中心 河南信阳 464000

3.河南航天精工制造有限公司 河南信阳 464000

1 序言

45钢是一种优质碳素结构钢，具有较高的强度和硬度，广泛应用于机械行业制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火零件等。本文主要研究了某45钢M16双头螺柱在服役过程中出现断裂，并对断裂机理进行了研究分析。具体断裂形貌如图1所示。

图1 断裂形貌

断裂位置位于双头螺柱螺纹部位，断面较为平整，未见腐蚀色彩，裂纹源区位于螺纹牙底部位，为单一裂纹源；扩展区约占整个断面的3/4，说明该断裂双头螺柱所受载荷较低；瞬断区与断面呈45°夹角。

2 分析过程及结果

2.1 断口分析

对断裂的45钢双头螺柱进行扫描电镜微观断口分析，结果如图2所示。

图2 断口微观形貌

裂纹起源于螺纹牙底，断口较为平齐，未见明显塑性变形，未见腐蚀色彩，断面呈灰色特征。断口源区、扩展区呈疲劳特征；瞬断区呈韧窝特征。

2.2 组织分析

对螺柱断裂位置进行取样，腐蚀剂选用4%硝酸酒精溶液，试样制备依据GB/T 13298—2015进行，对制好的试样进行金相分析，结果如图3所示。

图3 显微组织

金相分析结果表明，表层未见脱碳现象，心部为未淬透组织，显微组织为网状铁素体+片层状珠光体组织，表层为高温回火组织，无脱碳现象；非金属夹杂物主要为C类细系2级及DS类1.5级。

2.3 性能验证

对拆卸下来的双头螺柱，进行破坏拉力和硬度分析，结果见表1、表2。

该断裂件和拆卸下来的完好件，破坏拉力和硬度值均满足8.8级螺栓硬度值要求，但硬度值存在不均匀现象，处于标准值下限。

表1 破坏拉力统计

表2 硬度统计 （HRC）

3 分析与讨论

该断裂件断口为疲劳断口，未见氧化腐蚀色彩，如图4所示；显微组织不均匀，心部为铁素体+珠光体组织，表层为回火索氏体结构，存在未淬透现象；螺纹牙侧非承载面中径以上存在折叠，牙根部位有折叠等不连续性缺陷；单件硬度值表层和心部相差较大，平均值处于标准值下限。

通过观察断裂双头螺柱外表面，裂纹源区相对的表面镀层局部磨损较为严重；说明双头螺柱在使用过程中存在偏载现象，造成局部应力集中。

图4 裂纹源区侧表面

4 结束语

综上所述，该45钢双头螺柱在服役过程中发生断裂，断裂形式为单源疲劳断裂；淬火过程中存在未淬透现象，显微组织为非单一均匀回火索氏体结构；存在安装偏载现象[1]，在后期服役中受力不均匀，造成螺纹根部局部应力集中，受到反复交变载荷作用，致使裂纹萌生直至断裂。

建议加强对45钢双头螺柱热处理工艺控制，GB/T 3098.1—2010规定对8.8级性能等级用的材料，应有足够的淬透性，以确保紧固件螺纹截面的心部在淬硬状态，回火前获得约90%的马氏体组织，因此建议选用淬透性更好的合金结构钢，保持显微组织的一致性；进一步对安装过程进行控制，确保螺柱在服役过程中受力均匀。