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首頁 質量分析

4.8級螺栓頭部斷裂失效分析

1. 概述 委托方提供兩組斷裂螺栓殘件及若干完好螺栓,據委托方描述,失效螺栓在進行楔負載試驗時出現掉頭,要求分析原因。該批螺栓規格為M16,性能等級4.8級,材料牌號為Q195,表面電鍍黃鋅。圖1所示為送檢失效螺栓斷面宏觀形貌,可見斷口平整,表面金屬本色,未見明顯塑性變形痕跡。值得注意的是,螺栓斷裂位置不是位于頭下圓角處,而是位于六角頭內部。

斷裂螺栓宏觀形貌

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌

2. 楔負載實驗
隨機抽取送檢的兩件完好螺栓進行楔負載試驗(楔墊角度6度),1#樣品斷裂位置位于未旋合的螺紋部位,斷裂載荷為83.0kN,試驗后樣品如圖2所示 。

好樣品楔負載試驗后宏觀形貌

圖2 1#完好樣品楔負載試驗后宏觀形貌

2#樣品斷裂 載荷為29.0kN,斷裂位置位于頭部六角面內,試驗后樣品如圖3所示。根據“GB/T3098.1-2010”規定:規格為M16,性能等級4.8級的粗牙螺栓最小拉力載荷為65.9 kN,斷裂不允許發生在頭部。1#樣品符合標準規定,2#樣品不符合標準規定。

完好樣品楔負載試驗后宏觀形貌

圖3 2#完好樣品楔負載試驗后宏觀形貌


圖4所示為2 #試樣斷裂頭部的斷面宏觀形貌,箭頭所指位置為斷裂源區。

4.8級螺栓斷裂源區


圖4 2#試樣斷面宏觀形貌

3. 金相分析

將2件樣品斷裂頭部沿縱軸線剖開,經磨制、拋光、腐蝕后觀察頭部流線形貌,如圖5、圖6所示。由圖5可見,1#試樣(楔負載合格)雖然流線分布欠對稱,但流線尚且連續,較順暢,未出現明顯異常。由圖6可見,2#樣品(楔負載不合格)斷裂源為箭頭所指的流線轉彎位置(與斷面形貌吻合),該試樣頭部流線紊亂、不順暢,同時左右兩側流線明顯不對稱。

螺栓頭部斷裂-金相分析圖


圖5 1#樣品頭部流線 圖6 2#樣品頭部流線

在另外幾件送檢的完好螺栓中任取4件進行頭部流線檢測,結果如圖7~10所示:圖7所示樣品頭部流線左右對稱,但局部有紊亂和不連續(箭頭所指處);圖8所示樣品頭部流線紊亂,并在流線轉折處斷裂(箭頭所指處);圖9所示樣品頭部流線連續、順暢,但兩側對稱度欠佳;圖10所示樣品頭部流線左右不對稱,左邊紊亂明顯,箭頭所指為流線轉折處出現中斷。

螺栓頭部斷裂樣品分析

圖7 完好樣品頭部流線 10X 圖8 完好樣品頭部流線 10X

完好螺栓頭部流線

圖9 完好樣品頭部流線 10X 圖10 完好樣品頭部流線 10X

圖11所示為斷裂螺栓桿部橫截面低倍組織,可見組織均勻,未發現偏析、縮松等缺陷。

斷裂螺栓桿部橫截面低倍組織

圖11 試樣橫截面低倍組織

圖12所示為斷裂螺栓芯部金相組織,為鐵素體加少量珠光體。組織未現異常。


圖12 試樣芯部金相組織
圖13所示斷裂螺栓頭部縱向剖面非金屬夾雜物評定,根據“GB-T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準”可評定為D類(球狀氧化物夾雜,細系)1級,A類(硫化物夾雜,細系)2級。
圖13 試樣非金屬夾雜物評定

4. 螺栓材質分析

采用直讀光譜法對斷裂螺栓進行化學成分分析,結果如表2所示,根據“GB/T 700-2006”對Q195鋼化學成分的規定,樣品除C量略高于標準值外,其余各元素含量均在標準范圍內。

表2 斷裂螺栓化學成分

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化學元素 C Si Mn P S

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標準值 ≤0.12 ≤0.30 ≤0.50 ≤0.035 ≤0.040

測量值 0.13 0.095 0.333 0.034 0.019

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5.綜合分析

對送檢楔負載試驗不合格螺栓進行檢測分析后發現,不合格試驗斷裂均起源于六角頭內部,經流線檢查發現,該批螺栓頭部流線存在較大比例異常(隨機抽查六例,其中四例異常),表現為流線左右不對稱、流線紊亂,并在流線轉折處出現中斷,中斷位置基本與斷裂面所示的斷裂源區吻合。

6. 結論

一、送檢螺栓楔負載不合格原因為頭部流線存在紊亂、不對稱、中斷缺陷;

二、螺栓材質硫化物夾雜2級,碳含量偏高。

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