任曉霞 堯偉

摘 要：材質(zhì)為45#的螺栓在熱處理后沿徑向出現(xiàn)裂紋并斷裂。為了查明原因，用光電直讀光譜儀、光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡對(duì)斷裂處進(jìn)行了能譜、宏觀、微觀和化學(xué)成分等分析。研究表明：螺栓的化學(xué)成分完全符合產(chǎn)品的技術(shù)要求，螺栓斷裂是由于螺栓在淬火前存在成分偏析，以及淬火冷卻時(shí)生成較多的塊，半網(wǎng)狀鐵素體等組織缺陷，引起螺栓的強(qiáng)韌性下降，導(dǎo)致螺栓沿徑向方向產(chǎn)生微裂紋而引起的疲勞斷裂。

關(guān)鍵詞：螺栓 疲勞斷裂 成分富集

中圖分類號(hào)：TG11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（a）-0070-01

某公司生產(chǎn)的螺栓，主要用于汽車(chē)上，其作用是緊固連接。材質(zhì)：45#，性能等級(jí)：4.8級(jí)，規(guī)格：M10。它的熱處理工藝是淬火900～930 ℃以及回火580～630 ℃。熱處理結(jié)束之后，發(fā)現(xiàn)沿徑向方向螺栓斷裂，導(dǎo)致批量性報(bào)廢，造成單位的經(jīng)濟(jì)損失慘重。該文通過(guò)分析，探究螺栓斷裂的原因，包括能譜、宏觀、微觀和化學(xué)成分等分析。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 化學(xué)成分分析

其材質(zhì)：45#，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB/T699-1999，螺栓的化學(xué)成分是通過(guò)采用美國(guó)XXX型光電直讀光譜儀進(jìn)行光譜分析的，結(jié)果見(jiàn)表1，觀察表1知斷裂螺栓的化學(xué)成分滿足GB/T699-1999優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的要求。

1.2 宏觀分析

見(jiàn)圖1，斷裂螺桿的宏觀圖。經(jīng)觀察可知，螺栓對(duì)開(kāi)是沿徑向區(qū)域，斷裂起源于螺栓螺紋牙處。整個(gè)斷口絕大部分為擴(kuò)展區(qū)，最后的瞬斷區(qū)很窄，宏觀上有明顯的疲勞特征。直于裂紋前端（每一瞬間）的輪廓。因此可判斷裂紋源應(yīng)在螺栓螺紋牙處。

1.3 微觀分析

侵蝕樣品的溶液選用5%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精，通過(guò)在顯微鏡下觀察，能夠發(fā)現(xiàn)其縱向截面斷裂邊緣組織是大量塊狀鐵素體以及回火索氏體（見(jiàn)圖2）。其塊狀鐵素體是屬于未淬透而生成的組織，有可能是經(jīng)加熱使其完全奧氏體化之后再做淬火冷卻而緩慢形成的，并在回火的時(shí)候，因沒(méi)有發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，最后，這部分鐵素體被保留了下來(lái)，降低了機(jī)械性能，而余下的馬氏體經(jīng)碳化物析出，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w。

1.4 能譜分析

觀察正常部位組織（圖3）及裂紋附近的組織（圖4、圖5），可以發(fā)現(xiàn)組織均以回火索氏體為主，大小均勻。裂紋附近組織無(wú)明顯異常，可以初步判定裂紋不是在軋制階段形成的，因?yàn)槿羰窃谲堉齐A段形成，考慮在連續(xù)冷卻相變過(guò)程機(jī)理不同，裂紋附近組織與正常部位的組織會(huì)有明顯的不同。

能譜分析結(jié)果表明，裂紋靠近尖端及遠(yuǎn)離尖端處，均發(fā)現(xiàn)有S、Ca、Mn等元素聚集，考慮是煉鋼環(huán)節(jié)保護(hù)渣卷入或鋼中夾雜物造成的。鋼中這些元素的聚集，形成硬質(zhì)相，在外力作用下，易成為裂紋的起源點(diǎn)，而且這些硬質(zhì)相對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用下，造成產(chǎn)品在服役過(guò)程中失效。

2 改進(jìn)措施

對(duì)于上面所說(shuō)的情況，采取以下改進(jìn)措施：

（1）在調(diào)質(zhì)之前應(yīng)先進(jìn)行退火。

（2）選擇冷卻能力較低的淬火介質(zhì)（如：油）。

（3）有效防止煉鋼時(shí)保護(hù)渣的卷入。

3 結(jié)論

（1）45#在熱處理過(guò)程中生成了塊狀鐵素體這種非正常組織，最終在熱處理過(guò)程中的熱應(yīng)力作用下造成螺栓因微裂紋發(fā)生斷裂。因此，在調(diào)質(zhì)之前應(yīng)該先進(jìn)行退火，然后進(jìn)行正火能夠?qū)⒕Я＜?xì)化，使其組織有所改善。

（2）如果機(jī)械性能要求可以由淬火、回火滿足，那么若鋼種的淬透性比較好，則淬火介質(zhì)應(yīng)該選擇如油等這類冷卻能力比較低的介質(zhì)，采用的方式還可以是分級(jí)淬火，從而減小組織的內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)一步減少開(kāi)裂或者變形傾向。

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