一、技术要求：
1)抗拉试验:保证载荷≥16.1KN 2)硬度: 22-32 3)金相组织:S1-3
二、常规试验及结果:
1)抗拉试验:18.4-25.3KN KN
2)硬度:见下硬度表
样 品 杆部表面 螺纹牙底表面 心部
断裂件 321.7-350.1(34.0-37.0) ———— 290.4-298.4(30.5-31.5)
库存件 322.8-345.7(34.0-36.5) 403.3-422.9(42.0-43.5) 297.0-299.1(31.0-31.5)
3)金相组织:表层增碳,深约0.20MM,增碳层表面伴有0.0075MM全脱碳;心部组织,回火S,1级;
三、宏观观察:
1)断口:颜色灰暗,无金属光泽,微现扭转遗痕,略成圆弧流变态,多条周向台阶遥相呼应;
2)纵向螺纹面:螺纹牙底小径处出现深度不同裂纹,断裂位置附近区域没有明显塑性变形延伸拉长痕迹;
四、微观观察:纵向剖开显示其表面有微小裂隙,主要以两种状态分布:
A.相邻螺纹牙底均有不同深度裂隙,并向中心垂直延伸,一部分尾部圆秃无锋,开口较大;另一部分在圆秃的尾部有穿晶扩展延伸;两侧均未有氧化物夹杂及脱碳现象,局部区有残余抛光物;在纵剖面上,两侧相对螺纹牙底出现多条相连承载变形位移线,等同于螺纹升角线;
B.螺栓残余杆部表面出现多量小裂纹,呈无规则形态,密排分布,经浸腐后发现表层出现增碳现象,其深度约0.20MM,增碳层最表面发现有深约0.0075MM的全脱碳层,其晶界明显受氧化;
五、分析:
断口面均呈现深灰色,无金属光泽,有金属流变迹象,其流动呈圆弧状,出现金属堆积,证明其装配时承受了一定的扭矩,断裂面发生了微量塑性流动痕迹,也说明此件是在装机时承受了一定的装配应力后发生的断裂,其断前所受应力并没有超过其设计的极限额定值,也就是未达其设计的屈服强度就已经发生先期断裂;从纵剖面观察,两侧相对螺纹牙底出现多条等同于螺纹升角的微量变形位移线,说明材料承载时各螺纹截面均发生了一定量的塑性位移,每相对两条螺纹均承受外界给其施加应力后发生延伸而出现适量变形,这些应力并不是均匀分布在承载截面上的,是以牙底形成应力集中后出现裂隙从而减少了承载截面后产生的;而表面并没有明显塑性变形拉伸延长痕迹,呈现出脆断特征,说明其断裂时未发生征兆突然断裂;综合以上,分析:
1)因表面存在有增碳层,使表面发生了局部硬化,降低了材料塑性、韧性和抗疲劳强度,但提高了其表面硬度和整体强度,使脆性加大;
2)因增碳层表面的出现全脱碳层,且已氧化损伤而形成沿晶微裂纹,给材料表面留下先期损伤;
3)由于工件制作工艺是先调质后滚丝,因其滚制过程中产生了加工硬化,使本已增碳硬化的材料表面再次叠加硬化,最终使表面脆化加重,塑性、韧性和抗疲劳强度下降;
在此环境下,装配时受到扭力及轴向拉力的作用,表面的增碳硬化层+加工硬化层的阻碍(提高表面硬度和整体强度), 材料实际承受抗拉程度被强化,但脆性却加大,承应力早期表现出较好的抗拉力性,但在中后期因材料表面有微裂损伤,受应力的叠加影响而发生扩展,受力截面积减少,而应力又不变的情况下,材料本要发生延伸拉长,但是有表面硬化层的干涉这一过程被滞后,当应力达到一定值后,且应力集中区的裂隙扩展到一定尺寸后,其材料的有效截面积减少到失比程度(有效截面积与抗拉强度成正比),而此残留承载截面无法承受当前所受力矩,但又来不及发生塑性延长,在此条件下发生了突然断裂;
六、结论:
热处理增碳+滚压加工硬化+热处理脱碳等缺陷下产生的先期断裂失效;
七、诱因:
A.热处理:由于热处理调质过程中保护性气氛设置的不当或是密闭性不佳造成工件表面出现全脱碳层,碳的丢失使工件表面产生弱化,硬度及耐磨性降低;而脱碳过程中晶界受到不同程度的氧化变硬、变脆,强度及结合力急剧下降,在表面首先出现沿晶发展的微裂纹;
B.因断件表面存在有先期微裂,在滚丝时滚丝模牙尖挤压表面微裂,一部分微裂在滚丝模的推动下以60°角度向两侧贴齐形成少量折叠现象;另一部分微裂因处在滚丝模的牙尖顶部R角处,在R角的挤压分离下多量的微裂被压紧、贴齐、铺平,少量被撕扯、放大、张开,而在此过程中因材料表面本已硬度偏高,加工性能变差,继续对其挤压变形,使其加工区表面产生了加工硬化,硬脆化进一步提高,裂隙在此基础上继续被扩展并保留在小径的牙底处,给后续断裂提供了源头及扩展环境;
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发表于 2012-3-6 16:15:49
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