螺栓断裂分析报告

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情况简介

我厂生产的某型号的变速箱在装车使用后不久，即发生了一批变速箱制动鼓定位螺栓断裂事故，断裂部位均发生在截面急剧变化的肩胛处。由于该批螺栓系外购件，其热处理工艺尚不十分清楚。按设计要求，该批螺栓为M14螺栓，其长度为55mm，材料为40Cr，热处理后调质硬度为255～321HBS，表面经软氮化处理，要求氮化层深度为0.05～012mm，硬度为35～50HRC，相当于329～509HV。

2

理化检验

2.1

化学成分分析

从螺栓上取样进行化学成分分析，结果列于表1。可见螺栓的化学成分符合GB/T3077-1999的要求。

2.2

宏观断口分析

断裂发生在螺栓肩部与杆部连接处，见图1。按设计要求，杆部与肩部连接端应有滚花，长约10mm，其连接处应留R为0.5mm的过渡圆弧。从断裂零件的肩部可见到明显的因滚花留下的挤压痕迹，说明滚花时已滚到零件的肩胛部，在连接处没有过渡圆弧。

断口表面较平整，无肉眼可见的宏观塑性变形，断裂零件表面亦未见明显的机械损伤痕迹，属一次性脆性断裂。

2.3

硬度测试

将断裂螺栓两端磨平后进行硬度测试，测得心部硬度为235～250HBS，硬度偏低。表面硬度为465～485HV，属于正常的软氮化硬度。

图1

螺栓断裂部位示意图(mm)

2.4

金相检验

从螺栓断裂部位取样进行金相检验，心部组织为网状铁素体+珠光体，并有少量呈针状的铁素体，由晶界向晶内延伸，呈现轻微的魏氏组织状态，见图2。

图2

断裂螺栓心部组织照片

400×

图3

正常调质螺栓心部组织照片

400×

4%硝酸酒精溶液侵蚀

4%硝酸酒精溶液侵蚀

在R和滚花交界处沿纵向制样观察，基体材料中非金属夹杂物含量较少，符合国家标准要求，其近表面组织与心部组织基本相同，为珠光体+少量网状铁素体。

从使用正常未曾断裂的另一批螺栓上取样进行金相检验，在光学显微镜下，螺栓的显微组织为均匀回火索氏体，见图3。

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结果分析

由于该批零件是制动鼓定位螺栓，使用时承受较大的交变载荷，故要求零件应具有较高的强度和较好的冲击韧性。根据成分分析可知，该零件所用材料的化学成分符合GB/T3077-1999中40Cr钢的要求，可排除因材料错用而造成的断裂。

从金相组织上看，由于该批零件心部组织是珠光体及少量铁素体，且铁素体呈网状分布，部分呈针状分布，这种组织同一般40Cr钢锻造正火组织极为相似[1]。说明该批零件并未按要求进行调质处理，可能只是头部镦成型后进行正火处理。由于这种网状铁素体的存在，破坏了组织的连续性，导致基体强度明显降低，塑、韧性下降。有资料表明[2]，钢件中魏氏组织的存在，使材料的力学性能明显下降，尤其是冲击韧性下降很多。这种组织的形成是由于零件在热加工过程中的终锻温度过高而冷却又过缓，导致了铁素体沿晶界呈网状析出。这种不良组织状态是造成零件断裂的根本原因。

从零件断裂的部位上看，断裂发生在肩胛的根部，由于该处没有过渡圆弧，容易形成应力集中，变速箱制动时，必然会加大对螺栓施加各方向应力，当应力超过其断裂强度时，造成在应力集中的薄弱处断裂。

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结论

螺栓断裂的根本原因是由于零件在热加工后，未按热处理工艺要求进行处理，造成零件组织状态不良，硬度偏低，强韧性较差。加之零件机加工时，肩胛根部没有过渡圆弧，造成应力集中，一但受力较大必将导致沿圆周倒角处断裂。

日本爱信用高强度螺栓材质SCM440（主减齿圈连接螺栓）

40Cr钢的最大屈服强度：

试样毛坯尺寸（mm）：25

热处理：

第一次淬火加热温度（℃）：850；冷却剂：油

第二次淬火加热温度（℃）：-

回火加热温度（℃）：520；冷却剂：水、油

抗拉强度（σb/MPa）：≥980

屈服点（σs/MPa）：≥785

断后伸长率（δ5/%）：≥9

断面收缩率（ψ/%）：≥45

冲击吸收功（Aku2/J）：≥47

布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：≤

42CrMo钢的机械性能●特性及适用范围：

强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹，也可用于

2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具等。

●化学成份：

碳

C

：0.38～0.45

硅

Si：0.17～0.37

锰

Mn：0.50～0.80

硫

S

：允许残余含量≤0.035

磷

P

：允许残余含量≤0.035

铬

Cr：0.90～1.20

镍

Ni：允许残余含量≤0.030

铜

Cu：允许残余含量≤0.030

钼

Mo：0.15～0.25

●力学性能：

抗拉强度

σb

(MPa)：≥1080(110)

屈服强度

σs

(MPa)：≥930(95)

伸长率

δ5

(％)：≥12

断面收缩率

ψ

(％)：≥45

冲击功

Akv

(J)：≥63

冲击韧性值

αkv

(J/cm2)：≥78(8)

硬度

：≤217HB

试样尺寸：试样毛坯尺寸为25mm

最明显的区别，二次回火脆性倾向，42CrMo优于40Cr;

再次，由于碳含量和合金元素总量，也高于后者，耐回火性好

42CrMo淬透性优于40Cr，热处理工艺性能好。调质后，力学综合性能优于40Cr。常用于制造要求强度更高综合性能更好的重要构件

mo的加入是为了提高热硬性的。42CrMo的机械性能、热处理条件要好于40Cr，价格也高