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4.8级螺栓头部断裂失效分析

1. 概述 委托方提供两组断裂螺栓残件及若干完好螺栓,据委托方描述,失效螺栓在进行楔负载试验时出现掉头,要求分析原因。该批螺栓规格为M16,性能等级4.8级,材料牌号为Q195,表面电镀黄锌。图1所示为送检失效螺栓断面宏观形貌,可见断口平整,表面金属本色,未见明显塑性变形痕迹。值得注意的是,螺栓断裂位置不是位于头下圆角处,而是位于六角头内部。

断裂螺栓宏观形貌

图1 断裂螺栓宏观形貌

2. 楔负载实验
随机抽取送检的两件完好螺栓进行楔负载试验(楔垫角度6度),1#样品断裂位置位于未旋合的螺纹部位,断裂载荷为83.0kN,试验后样品如图2所示 。

好样品楔负载试验后宏观形貌

图2 1#完好样品楔负载试验后宏观形貌

2#样品断裂 载荷为29.0kN,断裂位置位于头部六角面内,试验后样品如图3所示。根据“GB/T3098.1-2010”规定:规格为M16,性能等级4.8级的粗牙螺栓最小拉力载荷为65.9 kN,断裂不允许发生在头部。1#样品符合标准规定,2#样品不符合标准规定。

完好样品楔负载试验后宏观形貌

图3 2#完好样品楔负载试验后宏观形貌


图4所示为2 #试样断裂头部的断面宏观形貌,箭头所指位置为断裂源区。

4.8级螺栓断裂源区


图4 2#试样断面宏观形貌

3. 金相分析

将2件样品断裂头部沿纵轴线剖开,经磨制、抛光、腐蚀后观察头部流线形貌,如图5、图6所示。由图5可见,1#试样(楔负载合格)虽然流线分布欠对称,但流线尚且连续,较顺畅,未出现明显异常。由图6可见,2#样品(楔负载不合格)断裂源为箭头所指的流线转弯位置(与断面形貌吻合),该试样头部流线紊乱、不顺畅,同时左右两侧流线明显不对称。

螺栓头部断裂-金相分析图


图5 1#样品头部流线 图6 2#样品头部流线

在另外几件送检的完好螺栓中任取4件进行头部流线检测,结果如图7~10所示:图7所示样品头部流线左右对称,但局部有紊乱和不连续(箭头所指处);图8所示样品头部流线紊乱,并在流线转折处断裂(箭头所指处);图9所示样品头部流线连续、顺畅,但两侧对称度欠佳;图10所示样品头部流线左右不对称,左边紊乱明显,箭头所指为流线转折处出现中断。

螺栓头部断裂样品分析

图7 完好样品头部流线 10X 图8 完好样品头部流线 10X

完好螺栓头部流线

图9 完好样品头部流线 10X 图10 完好样品头部流线 10X

图11所示为断裂螺栓杆部横截面低倍组织,可见组织均匀,未发现偏析、缩松等缺陷。

断裂螺栓杆部横截面低倍组织

图11 试样横截面低倍组织

图12所示为断裂螺栓芯部金相组织,为铁素体加少量珠光体。组织未现异常。


图12 试样芯部金相组织
图13所示断裂螺栓头部纵向剖面非金属夹杂物评定,根据“GB-T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准”可评定为D类(球状氧化物夹杂,细系)1级,A类(硫化物夹杂,细系)2级。
图13 试样非金属夹杂物评定

4. 螺栓材质分析

采用直读光谱法对断裂螺栓进行化学成分分析,结果如表2所示,根据“GB/T 700-2006”对Q195钢化学成分的规定,样品除C量略高于标准值外,其余各元素含量均在标准范围内。

表2 断裂螺栓化学成分

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化学元素 C Si Mn P S

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标准值 ≤0.12 ≤0.30 ≤0.50 ≤0.035 ≤0.040

测量值 0.13 0.095 0.333 0.034 0.019

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5.综合分析

对送检楔负载试验不合格螺栓进行检测分析后发现,不合格试验断裂均起源于六角头内部,经流线检查发现,该批螺栓头部流线存在较大比例异常(随机抽查六例,其中四例异常),表现为流线左右不对称、流线紊乱,并在流线转折处出现中断,中断位置基本与断裂面所示的断裂源区吻合。

6. 结论

一、送检螺栓楔负载不合格原因为头部流线存在紊乱、不对称、中断缺陷;

二、螺栓材质硫化物夹杂2级,碳含量偏高。

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