螺栓断裂分析

fcjyiong

某一轮胎螺栓在试车过程中发生断裂，断裂处发生在栓杆与螺帽圆角交接点，断裂形貌如图1、2。该螺栓技术要求为调质处理，硬度32~39HRC，材料为40Cr。
经检验：
1、材料为40Cr，成份如下
        C：0.379        Si：0.262        Mn：0.569        P：0.019        S：0.019        Cr：0.816
2、心部硬度测为37.0、38.0(HRC)
3、在酸浸试片上组织致密，未见白点、裂纹等可见缺陷
4、金相检验
调质组织为回火索氏体+少量铁素体 ，有少量点状夹杂物，淬火后晶粒较细，约为9级。


请大家帮助分析一下该螺栓是如何早期失效的？

fengfeng

心部开始往外断裂。
检查心部组织。夹杂。

fengfeng

应该是快速失效。放射棱线相当的清晰。
样子和抗拉试棒差不多了。
必须确定，是个别现象还是批量的。
是新产品试制还是老产品寿命试验。
多久发生断裂的，正常的需要多少时间？
裂源在心部，到底是抗拉强度不够，生生拉断。
还是材料或者淬火时心部已经有缺陷了。
表面经过了电镀，氢有没有影响。
都是需要一一排除的。

[ 本帖最后由 fengfeng 于 2007-10-5 16:26 编辑 ]

fcjyiong

上面的夹杂物图及调质状态图就是在断裂处的心部区域拍的

fcjyiong

图3、4、5均为心部区域
从论坛的回贴中我看出fengfeng是金相分析高手（），能否对这个断口说两句？
我公司没有扫描电镜，否则能分析得更详细点。

fengfeng

“高手“实在愧不敢当！
根本没有那种看一眼就知道原因的本事。

fengfeng

基本上就是在抗拉强度不够产生生生拉断（不知道它受多大的力和材料名义抗拉强度之间德（的）关系）
和中心有缺陷（淬火中心裂纹？材质你低倍你已经排除）之间区分了。
一家之言。
至于氢脆之类的，没有电镜就算了。
个人比较偏重于螺栓本身内裂（到底是材料问题或者墩制造成、亦或者淬火造成还要寻求证据）。断裂部位一点颈缩的现象也见不到。
剪切唇又那么小，裂源区小，放射区占了80%多，可以认为是脆性断裂。

[ 本帖最后由 fengfeng 于 2007-10-6 11:32 编辑 ]

fengfeng

另外检查断裂下来那段内六角圆头和断裂源之间的有效距离。
很多螺栓断裂是因为内六角冲孔太深，和螺栓柱面间有效面积变小，受不住拉力而失效。
光镜下看不出什么异常啊。
如果是我，就把两段断口切下。仔细抛光背面。看疏松，夹杂，显微裂纹之类的。
然后300块，电镜扫描裂源，确定断裂机制。
如果是韧窝就是生生拉断的。解理准解理就是淬火裂纹。
否则很难说服人啊。

[ 本帖最后由 fengfeng 于 2007-10-5 17:15 编辑 ]

fengfeng

楼主自己的见解呢？
大家一起交流交流吧。
其他的大虾也请给点建议。

fengfeng

拿20根螺栓，随机选10根，沿中心剖开，检查缺陷。
剩下的继续寿命试验。看情况再定下一步。
并按照国标检查氢脆（在钢板上旋，一定扭矩下不断）。

xcy721626

个人认为断口有些异常，关于断裂的起源、扩展的论述同意fengfeng 的观点。
螺栓经过锻轧？不会是圆棒车加工的吧，希望楼主另选一同批螺拴做一个低倍酸浸试样（沿螺栓轴向纵剖），观察流线情况。

fcjyiong

感谢fengfeng详细解答，结合你的分析，我的愚见如下：
该螺栓是某车桥厂送检的，是汽车制造厂（车桥厂的用户）在试车时断裂的。据反映一个月内断了2根，第一根没引起重视，这是第二根，螺帽没带回，且二根断裂部位相同。
该螺栓为脆性断裂，裂纹源位于心部的观点是认同的。至于氢脆的可能性，也曾考虑过这一问题，但是从断口上看，断口近似于菊花状，从中心向边缘发射，一侧边缘有小区域瞬间断裂区。如果是电镀引起的氢脆，裂纹源是不是应该不在心部？再有，在失效件断口附近的多个剖面及断口边缘也没找到沿晶或爪状裂纹。因此这一可能性不大。
关于抗拉强度不足，从断裂件及断口看，是成立的。但是，原材料内在质量经检查没问题，调质组织为回火索氏体+部分铁素体，部分索氏体保持马氏体位向，也不算太差，硬度也有37HRC左右，从硬度与强度的对应关系及结合金相组织分析，抗拉强度应该不低，除了有内部裂纹。从淬火晶粒上看，淬火工艺还算正常，造成裂纹的可能性不大，如有材料裂纹或墩制裂纹，热后多少都应该有点蛛丝马迹吧，可惜没找到。
螺栓为快速断裂，无明显塑性变形，断裂处为螺栓及螺帽的交接处，该处本身就是应力集中的地方，加上试车常做恶劣条件试验，如恶劣路况、多次急刹、迅速加载等，可考虑断裂是受巨大外力所致。



"按照国标检查氢脆（在钢板上旋，一定扭矩下不断）"怎么做？能否将标准发给我，以便以后遇到这种情况时如何应对。

chenjunyy

不错,图片搞得蛮清楚的!

fengfeng

在没有新的证据之前，你的分析是能让人接受的。
疑问就是，他试车多长时间坏的。零件上宏观看不出疲劳迹象。受外力冲击断裂是偶然事件，如果上去就坏，那就需要重新考虑了。
另外都是坏一个地方，需要从螺丝安装受力上分析。螺丝头部和螺栓处有效截面必须考虑。一般拉伸断根部少见。

有个网站叫“螺丝大讲堂”。上面都是紧固件的文章。
氢脆的实验方法，上面有。我也是看过，没有下载。
很高兴，能和你一起讨论。

wangqinghua196

原帖由 fcjyiong 于 2007-10-5 15:48 发表
某一轮胎螺栓在试车过程中发生断裂，断裂处发生在栓杆与螺帽圆角交接点，断裂形貌如图1、2。该螺栓技术要求为调质处理，硬度32~39HRC，材料为40Cr。
经检验：
1、材料为40Cr，成份如下
        C：0.379        Si：0.262        Mn：0.569        P：0.019        S：0.019        Cr ...

这是螺钉的失效原因是：
1。热处理加热淬火温度偏低或者淬火冷却不充分，热处理之后硬度保证了，但是延伸性能不好。这个断裂部位是处于头部和杆部的交接处，是最大尺寸处，那里在淬火时又是个复杂组织区，往往是淬透区和非淬透区的交界处。


需要预防的事项：
1。这个螺钉是电镀的----俗称：药黄的处理，要做除氢处理；
2。装配时是否已经有扭曲情况；
3。螺冒和杆部的垂直度是否在合格公差内；


请指正

xiulirong

我们处理的双头螺栓也出现过断裂事故，用在汽车油泵上，材料和硬度要求和你们的一样，后检查只是硬度在上限，没发现其它问题，后来把技术要求改了硬度34~38HRC，回火时间加长是原来的1.5倍，充分回火，调质后发蓝处理，再没出现过问题。如果材料没问题，可以参考以下。

天天小非

掉头！紧固件产品的大忌。螺栓无论在什么情况下不允许出现的想象。
根据现在出现的现象可以从以下两个方面考虑一下。
1.原材料是否存在疏松？楼主证实了原材料没有问题，这个可以否定。
2.锻造过程：该产品头部必须经过锻造处理，如果锻造加热温度低进行锻造，那么锻打后在心部已经出现了裂纹，该裂纹是导致产品掉头的主要原因。

fengfeng

想到就说：“还有一条是设计和热处理工艺保证的-------冲击韧性 ”。
脆断：抗拉强度高（硬度在上限），断口无变形，必须考虑冲击韧性是否符合要求。
假设有N种，答案只有一种。
一切有待楼主做功课了。
呵呵

wangqinghua196

原帖由 xiulirong 于 2007-10-7 19:41 发表
我们处理的双头螺栓也出现过断裂事故，用在汽车油泵上，材料和硬度要求和你们的一样，后检查只是硬度在上限，没发现其它问题，后来把技术要求改了硬度34~38HRC，回火时间加长是原来的1.5倍，充分回火，调质后发蓝处理，再没出现过问题 ...

赞同你的观点 .
你的硬度标准也是高强度啊!

xiulirong

硬度标准是设计部门的事，我们也没办法，谁让设计部门没热处理人呢。不过我们的油泵是用在载重车和轮船上用的，所有件的热处理技术要求一般都比较高啊，只要出了问题第一部是要从热处理下手了。