■ 周斌，金林奎，黃持偉，楊宇飛

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45K冷鐓鋼常用于冷鐓加工制造緊固件、連接件，如螺栓、螺母等。本文對(duì)六角凸緣螺栓斷裂失效件的化學(xué)成分、表面硬度、斷口形貌及顯微組織進(jìn)行理化檢測(cè)，分析和推斷螺栓失效件斷裂的原因以及斷裂形成機(jī)理。

1.宏觀檢查

該螺栓失效件材料采用45K冷鐓鋼加工制造，螺栓型號(hào)為M8×40mm。加工工藝流程為冷鐓→調(diào)質(zhì)→搓絲→酸洗→鍍鋅。該六角凸緣螺栓在裝配過(guò)程中發(fā)生斷裂，斷裂部位位于螺桿中部的螺母鎖緊位置（見(jiàn)圖1a）。六角凸緣螺栓零件由六角凸緣和螺桿構(gòu)成（見(jiàn)圖1b），該螺栓斷裂失效件為客戶提供，斷裂件六角凸緣端已被截取，斷裂件螺桿端也已剖開(kāi)為兩半，且兩截?cái)嗔鸭庥^色澤偏差較大，右側(cè)斷裂件的剖面是線切割加工形成的（見(jiàn)圖1c）。

2.結(jié)果與討論

（1）化學(xué)成分分析 從該螺栓斷裂件上截取試樣，采用ARL8860火花放電直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS G3507－1－2010《冷鐓用碳素鋼第1部分：盤條》進(jìn)行判定，化學(xué)成分符合規(guī)范要求（見(jiàn)表1）。

圖1 螺栓成品及斷裂件

（2）表面硬度檢測(cè) 從該螺栓斷裂件上截取試樣，采用Qness Q150數(shù)顯洛氏硬度計(jì)進(jìn)行表面硬度檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，實(shí)測(cè)硬度值符合客戶規(guī)范要求（見(jiàn)表2）。

（3）掃描電鏡檢測(cè) 采用SIGMA 300掃描電子顯微鏡，對(duì)螺栓失效件斷口進(jìn)行檢測(cè)。六角凸緣端斷口為圓錐形凸起，螺桿端斷口為圓錐形凹坑。對(duì)六角突緣端圓錐凸起斷口進(jìn)行檢測(cè)，圖2a所示左側(cè)為六角突緣端斷口的螺牙齒頂外緣，右側(cè)為斷口中心凸起圓錐面。距螺桿螺牙底槽部位存在周向開(kāi)裂的裂紋，裂紋呈多條平行條紋，表明材料表面強(qiáng)度極低。圖2a中紅框區(qū)域的倍率經(jīng)放大，螺牙底槽裂紋顯示多源臺(tái)階的應(yīng)力開(kāi)裂特征。該處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且材料表面強(qiáng)度低，因而存在多條多源臺(tái)階裂紋源的開(kāi)裂特征形貌（見(jiàn)圖2b），由此推斷螺牙底槽部位屬于斷口的斷裂起始區(qū)。

斷裂起始區(qū)斷口呈現(xiàn)細(xì)小等軸韌窩特征形貌（見(jiàn)圖3a），表明材料基體組織韌性較好?？拷鼒A錐形凸起尖端的斷裂終斷區(qū)，斷口仍以細(xì)小等軸韌窩為主，同時(shí)存在較多量撕裂棱及變形韌窩（見(jiàn)圖3b），該處為斷口終斷區(qū)快速擴(kuò)展特征。

（4）金相檢測(cè)分析 采用Axio Observer 7m金相顯微鏡，對(duì)螺栓斷裂件基體組織進(jìn)行金相檢測(cè)。試樣未經(jīng)腐蝕劑浸蝕時(shí)，螺牙側(cè)面明顯可見(jiàn)不同形態(tài)的表面裂紋，表面裂紋的縱深度及垂直深度大多在60～160μm。無(wú)論是彎曲裂紋還是分叉裂紋，裂紋的尾部都呈圓鈍狀（見(jiàn)圖4a～4d），顯示擠壓變形的折疊裂紋特征形貌。

金相顯微鏡檢測(cè)，螺桿上幾乎每個(gè)螺牙側(cè)面都存在表面折疊裂紋。螺牙底部凹槽由圓角過(guò)渡，但過(guò)渡圓角的R半徑較?。ㄒ?jiàn)圖5a）。經(jīng)測(cè)量，螺牙底槽R角半徑為0.18mm，螺牙底槽R角半徑越小，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中越大。圖示螺牙表層覆蓋一層亮灰色的鍍鋅層，經(jīng)測(cè)量該處鍍鋅層厚度為9.62μm（見(jiàn)圖5b）。

經(jīng)腐蝕劑浸蝕后檢測(cè)，有些螺牙側(cè)面及底槽都存在表面折疊裂紋，同時(shí)螺牙表層呈現(xiàn)亮黃色（見(jiàn)圖6a、6b），螺牙表層組織存在差異。圖片經(jīng)放大，表面折疊裂紋縫隙兩側(cè)存在明顯的脫碳層（見(jiàn)圖6c、6d）。螺栓在冷鐓過(guò)程中產(chǎn)生折疊裂紋，在調(diào)質(zhì)處理的加熱過(guò)程中發(fā)生氧化脫碳，后期搓絲加工過(guò)程使折疊裂紋進(jìn)一步擠壓成細(xì)長(zhǎng)的裂紋。

表1 失效件樣品化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) （%）

表2 失效件樣品表面硬度測(cè)試結(jié)果 （HRC）

圖2 螺牙底槽形貌

圖3 螺栓斷口形貌

圖4 螺牙表面裂紋

螺牙側(cè)面發(fā)現(xiàn)開(kāi)口較大的表面折疊裂紋，裂紋間隙兩側(cè)的表面脫碳現(xiàn)象更為明顯。在表面折疊裂紋的周圍呈現(xiàn)變形的纖維狀組織，表明搓絲加工之前螺栓表面已存在較大的凹坑，在搓絲過(guò)程中經(jīng)擠壓變形而形成折疊裂紋（見(jiàn)圖7a）。在表面折疊裂紋的開(kāi)口處存在兩處圓弧狀的凹坑，這是表面腐蝕的特征形貌，表明在鍍鋅處理之前，螺栓零件經(jīng)過(guò)酸洗處理，由于酸洗處理時(shí)間較長(zhǎng)，已經(jīng)在表面形成較深的腐蝕凹坑（見(jiàn)圖7b）。

在螺牙底槽部位存在鍥形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基體呈現(xiàn)嚴(yán)重變形的纖維狀組織。由于搓絲加工產(chǎn)生的拉應(yīng)力已經(jīng)大于材料的抗拉強(qiáng)度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑（見(jiàn)圖8a）。經(jīng)測(cè)量，搓絲擠壓加工的變形層深度達(dá)120μm。在螺牙底槽存在較多量的圓弧狀腐蝕凹坑（見(jiàn)圖8b），表明螺栓在酸洗處理過(guò)程中，酸洗處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

螺桿端斷裂件的開(kāi)裂起始區(qū)，首先形成于螺牙底槽部位，然后向螺桿中心部位及縱向繼續(xù)擴(kuò)展至最終斷裂（見(jiàn)圖9a、9b）。螺桿端斷裂件斷口呈圓錐形凹槽，斷裂終斷區(qū)位于螺桿心部，終斷區(qū)的斷口剖面呈現(xiàn)大小不等的凹坑，這些凹坑對(duì)應(yīng)于六角凸緣端斷口終斷區(qū)的韌窩特征形貌（見(jiàn)圖9c、9d）。

圖5 螺牙表面形貌

圖6 螺牙表面裂紋

圖7 螺牙表面裂紋（500×）

圖8 螺牙底槽形貌

為了準(zhǔn)確測(cè)量螺栓斷裂件的表面脫碳層，在螺栓光桿部位徑向截取試樣進(jìn)行檢測(cè)。金相顯微鏡檢測(cè)，螺栓光桿部位的表層存在較深的白亮色脫碳層（見(jiàn)圖10a～10b），依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T224—2008《鋼的脫碳層深度測(cè)定法》進(jìn)行測(cè)定，表面脫碳層深度達(dá)0.11mm。在調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中，熱處理爐內(nèi)保護(hù)氣氛不規(guī)范，零件因高溫氧化脫碳造成較嚴(yán)重的表面脫碳層，特別是外表層全脫碳部位幾乎全為鐵素體組織。由于表面脫碳層內(nèi)的碳含量降低，造成表面強(qiáng)度降低。采用Q10M數(shù)顯維氏硬度計(jì)，對(duì)螺栓外表層全脫碳區(qū)域進(jìn)行硬度測(cè)試，實(shí)測(cè)硬度值為85HV0.2，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》進(jìn)行換算，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值約為270MPa。螺栓規(guī)范要求的硬度值為22～32HRC，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》進(jìn)行換算，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值為813～1039MPa。因而可以推斷，表面脫碳層的抗拉強(qiáng)度只有螺栓材料抗拉強(qiáng)度的1/3～1/4。該表面脫碳層缺陷組織顯著降低，材料表面強(qiáng)度低，這是造成螺栓斷裂的主要原因。

六角凸緣部位以及螺栓桿部的基體顯微組織，都為細(xì)針狀馬氏體位向的回火索氏體＋少量鐵素體（見(jiàn)圖11a、11b）。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評(píng)級(jí)圖及評(píng)定方法》第三評(píng)級(jí)圖進(jìn)行評(píng)定，調(diào)質(zhì)處理的顯微組織評(píng)定為2級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)要求1～4級(jí)合格，該顯微組織屬于合格級(jí)別。

（5）金相試樣掃描電鏡測(cè)試 對(duì)金相組織進(jìn)行掃描電鏡檢測(cè)，在螺桿螺牙表面覆蓋一層深灰色鍍鋅層（見(jiàn)圖12a）。掃描電鏡倍率進(jìn)一步放大，表面鍍鋅層顯示層狀分布的多層結(jié)晶體，表面鍍鋅層與螺牙表面基體連接的過(guò)渡層結(jié)合良好（見(jiàn)圖12b）。經(jīng)測(cè)量，該處表面鍍鋅層厚度為9.36μm。

圖9 螺桿端斷口形貌

圖10 表面脫碳層

圖11 螺栓顯微組織

螺桿螺牙凹槽表面同樣覆蓋一層鍍鋅層，表面鍍鋅層底部的螺牙凹槽表面存在多條折疊裂紋（見(jiàn)圖13a）。掃描電鏡倍率進(jìn)一步放大，折疊裂紋間隙兩側(cè)由若干個(gè)圓弧狀凹坑構(gòu)成，表明酸洗過(guò)程中的表面腐蝕較為嚴(yán)重。由于凹槽部位表面鍍鋅層沉積更為突出，實(shí)測(cè)表面鍍鋅層深度達(dá)10.76μm（見(jiàn)圖13b）。

經(jīng)掃描電鏡檢測(cè)，六角凸緣部位及螺栓桿部的顯微組織，都為細(xì)針狀馬氏體位向的回火索氏體＋少量未溶鐵素體。回火索氏體由顆粒狀碳化物構(gòu)成的針狀及條狀組織，未溶鐵素體晶粒內(nèi)只有極少量的顆粒狀碳化物（見(jiàn)圖14a、14b）。檢測(cè)結(jié)果顯示，螺栓基體顯微組織正常。

（6）金相試樣微區(qū)能譜測(cè)試 對(duì)螺桿螺牙部位的表面鍍鋅層及基體組織進(jìn)行微區(qū)能譜測(cè)試，測(cè)試區(qū)如圖所示，譜圖1區(qū)為表面鍍鋅層（見(jiàn)圖15a），譜圖2區(qū)為基體組織（見(jiàn)圖15b）。能譜測(cè)試結(jié)果表明，譜圖1區(qū)域的表面鍍鋅層含有Zn、Mg、Fe等合金元素，其中Zn含量達(dá)92.47%，能譜測(cè)試結(jié)果顯示，螺牙表層屬于含有少量Mg、Fe合金的表面鍍鋅層（見(jiàn)圖15c）。譜圖2區(qū)域的基體組織含有C、Mn、Fe等合金元素，成分顯示與45K冷鐓鋼材料相符（見(jiàn)表3）。由于試樣測(cè)試面經(jīng)過(guò)硝酸酒精浸蝕，表面殘留較多的C元素，因而能譜測(cè)試結(jié)果含碳量偏高（見(jiàn)圖15d）。

圖12 表面鍍鋅層

圖13 螺牙底槽形貌

圖14 螺栓顯微組織

圖15 微區(qū)能譜測(cè)試

綜上所述，六角凸緣端斷口為圓錐形凸起，螺桿端斷口為圓錐形凹槽。對(duì)六角凸緣端圓錐凸起斷口進(jìn)行檢測(cè)，在螺牙底槽部位存在多條周向開(kāi)裂的裂紋。裂紋呈多條平行條紋，表明材料表面強(qiáng)度極低，同時(shí)裂紋處的多源臺(tái)階顯示應(yīng)力開(kāi)裂特征。經(jīng)測(cè)量螺牙底槽R角半徑為0.18mm，螺牙底槽R角半徑越小，應(yīng)力集中越大。該處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且材料表面強(qiáng)度低。螺牙底槽部位存在多源臺(tái)階的裂紋源開(kāi)裂特征形貌，由此推斷該部位屬于斷口的斷裂起始區(qū)。

螺牙側(cè)面明顯可見(jiàn)不同形態(tài)的表面裂紋，無(wú)論是彎曲裂紋還是分叉裂紋，裂紋的尾部都呈圓鈍狀，顯示擠壓變形的折疊裂紋特征，有些螺牙側(cè)面及底槽都存在表面折疊裂紋。在表面折疊裂紋的開(kāi)口處存在圓弧狀的凹坑，這是表面腐蝕的特征形貌，表明在鍍鋅處理之前，螺栓經(jīng)過(guò)酸洗處理，且酸洗處理時(shí)間較長(zhǎng)，已經(jīng)在表面形成較深的腐蝕凹坑。在螺牙底槽部位存在楔形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基體呈現(xiàn)嚴(yán)重變形的纖維狀組織。由于搓絲加工產(chǎn)生的拉應(yīng)力已經(jīng)大于材料的抗拉強(qiáng)度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑。

螺栓表面存在較嚴(yán)重的表面脫碳層，調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中熱處理爐內(nèi)保護(hù)氣氛不規(guī)范，因高溫氧化脫碳造成螺栓零件表面形成較嚴(yán)重的脫碳層，經(jīng)測(cè)量表面脫碳層深度達(dá)0.11mm。該表面脫碳層缺陷組織顯著降低材料的表面強(qiáng)度，這是造成螺栓斷裂的主要原因。

3.結(jié)論及改進(jìn)建議

該六角凸緣螺栓斷裂的主要原因，是由于調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中熱處理爐內(nèi)保護(hù)氣氛不規(guī)范，零件因高溫氧化脫碳造成較嚴(yán)重的表面脫碳層，顯著降低了材料的表面強(qiáng)度。螺栓裝配過(guò)程中形成拉應(yīng)力，在應(yīng)力集中最大的螺牙底槽產(chǎn)生多條平行裂紋。開(kāi)裂首先形成于螺牙底槽部位，然后向螺桿心部及縱向繼續(xù)擴(kuò)展至最終斷裂。

冷鐓及搓絲過(guò)程形成的折疊裂紋及撕裂凹坑，以及酸洗過(guò)程產(chǎn)生的腐蝕凹坑，顯著降低了螺栓的加工及使用性能。特別是螺牙底槽部位的折疊裂紋、撕裂凹坑及腐蝕凹坑，加速螺栓的斷裂進(jìn)程。

螺栓在冷鐓加工以及搓絲加工過(guò)程中，應(yīng)保證材料的冷加工塑性變形能力，同時(shí)控制好一次變形量和變形速率。零件在調(diào)質(zhì)處理過(guò)程中，必須嚴(yán)格執(zhí)行熱加工工藝，防止零件表面氧化脫碳，增加材料表面強(qiáng)度及使用性能。在鍍鋅處理之前的酸洗過(guò)程中，必須控制好酸洗液濃度及酸洗時(shí)間，進(jìn)一步降低零件表面的腐蝕程度。

表3 失效件樣品微區(qū)能譜測(cè)試結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）