10.9级高强度螺栓开裂原因分析

张云龙，王春涛

（浙江海洋大学，浙江 舟山 316022）

部分M56螺栓在经过淬火和回火之后，磁粉探伤时发现出现了裂纹。出现裂纹的螺栓材料为42CrMo钢，该材料具有良好的淬透性和较高的强度和硬度，且无明显的回火脆性，在调制处理后具有较高的韧性以及耐低温冲击的性能[1]，通常用来制作高强度的紧固件。本文分析了其失效的主要原因。

1 宏观检验

这批螺栓失效形式主要表现为纵向开裂，裂纹从根部主要延伸至顶端，其宏观图如图1所示。这批螺栓的淬火温度为865℃,油淬，淬火油为重庆义扬机电设备有限公司生产的普通淬火油[2]，产品型号为PAG-IIIB，回火温度为550℃。

图1 出现裂纹的螺栓

2 测试结果分析

2.1 理化测试

将开裂的螺栓头部进行线切割取样，用德国斯派克直读光谱仪分析其化学成分，结果如表1。结果显示，螺栓的化学成分符合GB/T 3077—2015的要求。后对开裂螺栓的端面做硬度分析，采用洛氏硬度（HRC），其结果平均值为35.4，符合GB/T 230.1—2018的要求。对开裂螺栓做拉伸实验，显示断裂螺栓的收缩率、伸长率、耐低温冲击功均低于正常值，如表2，不符合GB/T 228.1—2010、GB/T 229—2007的要求。

表1 螺栓的化学成分 %

表2 螺栓力学性能测试结果

2.2 金相组织

开裂的螺栓金相组织如下页图2所示，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀切割表面，风干后观察，从金相检验的结果可以看出，开裂的螺栓金相组织为回火马氏体，而未使用过的新螺栓为回火索氏体组织。图2-1为未脱碳金相组织图，图2-2、2-3分别为断头处和裂纹处500×金相组织图。从图2-4中可以看出来在裂纹处两侧存在氧化物，且有细小的裂纹以沿晶分布。从图2中裂纹的末端的特征可以看出，类似于淬火引起的裂纹。可以通过沿晶氧化以及裂纹之间的间隙，得出该材料的晶粒度等级为6级。

3 分析讨论

图2-1是螺栓未脱碳的金相组织，裂纹两侧无脱碳现象，说明在淬火加热过程中螺栓并未开裂，即开裂的产生发生在淬火的过程中[3]，并且在回火过程裂纹两侧也有不同程度氧化现象。再根据裂纹沿晶分布的特征可以看出来，裂纹主要为淬火裂纹[4]。且螺栓的晶粒度未6级，晶粒度并不算粗大，由以上可知，裂纹并不是由于螺栓淬火温度过高的因素。

图2 开裂螺栓的金相组织

对螺栓的整个热处理过程重新进行排查发现，螺栓在淬火的过程中摆放没有规则，过于随意，不利于淬火后的均匀冷却，特别是容易导致局部变形区域蒸汽膜破裂的时间延长[5]。相关研究表明，正确的淬火方法为螺栓的大头在前方，小头在后方依次进入淬火油中。

在对螺栓的整个淬火冷却系统进行检查时发现，水冷管有泄露，有水进入到淬火油中，导致螺栓的冷却强度得到明显提高[6]。由于水和淬火油不相容，导致螺栓淬火冷却的不均匀。此外，42CrMo材料钢的淬透性良好，由图3可以看出，随着冷却速度的不断增加，可以看到贝氏体组织增加，铁素体和珠光体组织逐渐

图3 42CrMo钢的CCT曲线

减少直至消失;当冷却速度为1℃/s时，冷却产物主要为贝氏体组织。当冷却速度为5℃/s时，产物中有马氏体生成，并在冷却速度达到10℃/s时，产物完全转变为马氏体组织。油淬的临界直径为50 mm，而开裂的螺栓直径大于该值[7]，所以螺栓的淬火应力较大。

由图3可知，该螺栓金相组织回火索氏体大于90%，调制后状态正常。42CrMo钢在较宽的冷速范围(冷却速度＞10℃/s即可)可以得到马氏体，主要是由于该合金中含有的Cr、Mo元素强烈提高了其淬透性所造成的。裂纹两侧无脱碳痕迹（图2），为淬火开裂。引起开裂的原因为螺栓六角头在热成型过程中产生R角折叠，经热处理后应力释放导致其出现裂纹。