|螺栓热锻工艺裂纹失效分析

10.9级热镦六方大螺栓 , 规格分别为M36和M42 , 材质为ML42CrMo , 热浸镀锌 。
两个规格的螺栓在成品检查时 , 发现部分螺栓头下R角处有裂纹 , 随后采用探伤检查 , 发现螺栓头下R角处有较多的吸附磁粉的裂纹缺陷 。
14.4.1 试验过程与结果
螺栓热锻工艺:始锻温度1150±50℃ , 终锻温度850±50℃ , 中频加热约1-2分钟 。M36螺栓调质工艺:淬火温度870-875℃ , 回火温度575℃ 。M42螺栓调质工艺:淬火温度865℃ , 回火温度550℃ 。
对故障件螺栓宏观检查 , 螺栓头下缺陷用肉眼不好发现 , 采用磁粉探伤后 , 发现螺栓头下R角处有吸附磁粉的裂纹缺陷
两个规格的螺栓 , 宏观形貌见图14-23 。
两个规格的螺栓 , 磁粉探伤后头下R角处吸附磁粉的裂纹缺陷 , 见图14-24 。

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图14-23 两个规格螺栓宏观形貌

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图14-24 螺栓头下裂纹形貌
对两个规格的螺栓沿头部沿轴线剖开 , 制样后进行金相组织检查 。M36和M42螺栓裂纹外侧的金相组织和裂纹形态基本相同 , 其裂纹由表及里扩展 , 但有的裂纹未与表面贯通;螺栓表面有较浅的全脱碳 , 开口裂纹的开口处也有脱碳,封闭裂纹两侧未发现脱碳 , 见图14-25、图14-26 。

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图14-25 M36裂纹外侧金相 图14-26 M42裂纹外侧金相
【|螺栓热锻工艺裂纹失效分析】两个规格的螺栓(M36和M42)裂纹两侧的金相组织相同 , 为回火索氏体组织 。裂纹主要以沿晶方式扩展 , 沿晶走势相同 , 有分支裂纹 , 见图14-27、图14-28 。

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图14-27 M36的裂纹及两侧组织 图14-28 M42的裂纹及两侧组织
M36螺栓心部金相组织为回火索氏体和少量铁素体 , 见图14-29 。
M42螺栓心部金相组织为回火索氏体和少量铁素体 , 见图14-30 。

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图14-29 M36螺栓心部金相组织 图14-30 M42螺栓心部金相组织
两个规格的螺栓头下圆角及流线检查 ,
M36螺栓圆角处的纵向剖面上变形流线完整、顺畅 , 圆角处裂纹垂直流线扩展 , 尾端尖细 , 出现裂纹位置的圆角半径约为3mm , 大于技术要求的下限(2mm) , 见图14-31 。
M42螺栓圆角处的纵向剖面 , 可见圆角处变形流线完整、顺畅 , 圆角处裂纹垂直流线扩展 , 尾端尖细 , 出现裂纹位置圆角半径约为2.5mm , 接近技术要求的下限(2.5mm) , 见图14-32 。
M36 、M42螺栓头部流线均为横向中心位置偏上 , 两侧圆角处均有明显小折叠 , 说明两批螺栓头部镦锻变形不合理 。
M36螺栓头部流线 , 见图14-33;M42螺栓头部流线 , 见图14-34 。

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图14-31 M36螺栓圆角处流线与裂纹形态 图14-32 M42螺栓圆角处流线与裂纹形态分页标题

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图14-33 M36螺栓头部流线形貌 图14-34 M42螺栓头部流线形貌
对两个规格螺栓纵向剖面进行夹杂物检查评定 , 根据标准《GB/T 10516-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定方法》评定:
M 36螺栓夹杂物DS类(单颗粒球状类)2.5级;D类(球状氧化物)粗系2级 , 细系2级 , 见图14-35 。
M 42螺栓夹杂物DS类(单颗粒球状类)2级;D类(球状氧化物)粗系1.5级 , 细系2级 , 见图 14-36 。

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图14-35 M36螺栓夹杂物形貌 图14-36 M42螺栓夹杂物形貌
采用直读光谱对螺栓进行化学成分分析 , 分析结果 , M36、 M42螺栓化学成分符合《GB/T 6478-2001》标准对ML42CrMo钢的要求 。
螺栓表面硬度梯度及心部硬度试验检测 , 检测结果螺栓硬度在标准规定范围内 , 硬度值如下:
M36螺栓心部硬度为355 HV10;
M32螺栓心部硬度为365 HV10 。
14.4.2 分析与讨论
该批螺栓的化学成分、金相组织和表心硬度均符合要求 , 虽然表面有全脱碳 , 组织中球状氧化物DS类(单颗粒球状类)2级较大 , 但都不是造成裂纹的原因 。
该批螺栓裂纹均位于头下圆角位置 , 为应力集中部位 , 裂纹由表及里扩展;裂纹走势刚劲 , 尾端尖细 , 有分支裂纹 , 但有一些裂纹未贯通表面 , 从表面全脱碳处开始向内扩展 , 由此可排除淬火裂纹的可能 。
螺栓头部流线不沿变形的头部外形分布 , 说明螺栓头部锻打变形不合理 。螺栓锻打时采用中频加热 , 加热时间较短 , 可能会造成加热温度不均匀 , 使头部变形不能满足变形要求 , 造成头部流线不合格 。
由于螺栓头部锻打工艺过程有问题 , 头部变形中心不在中心位置 , 而在变形中心的偏上位置 , 使螺栓头下圆角处应力集中过大 , 变形不均匀 , 锻打时圆角处产生了1~2条应力裂纹 , 在裂纹附近还有许多细小封闭的裂纹 。
由于螺栓表面有全脱碳层较软 , 把小裂纹封住 , 肉眼不易看见 。探伤时裂纹处吸附磁粉而显示裂纹缺陷 。
由于两批螺栓头部锻打工艺不当 , 造成头部变形不合理 , 使螺栓头下圆角处应力集中过大 , 变形不均匀 , 锻打时圆角处产生应力裂纹 ,
14.4.3 结论与启示
(1)两批螺栓圆角处的裂纹为锻打应力裂纹 。
(2)造成应力裂纹的原因是螺栓头部锻打工艺不当 , 造成头部变形不合理 , 使螺栓头下圆角处应力集中过大 , 变形不均匀 , 锻打时圆角处产生应力裂纹 ,
(3)螺栓在探伤时 , 圆角处的细小裂纹表面吸附磁粉 , 而显示裂纹缺陷 。
(4)大规格螺栓头部成型时要采用合理的锻打工艺 , 控制加热温度和变形 , 防止头下圆角处产生应力裂纹 。