大扁頭方頸螺栓，規(guī)格為M16×25，材料40Cr鋼，在冷鐓工序檢查中，發(fā)現(xiàn)冷鐓后頭部開(kāi)裂，停止冷鐓后分析開(kāi)裂原因。

16.5.1  試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

冷鐓后頭部開(kāi)裂螺栓檢查，螺栓頭部開(kāi)裂均產(chǎn)生于頭部邊沿，外大內(nèi)小，由表向內(nèi)擴(kuò)展，見(jiàn)圖16-23。

                 圖16-23  頭部開(kāi)裂宏觀形貌

取1件無(wú)裂紋件（1#），兩件頭部開(kāi)裂件（2#，3#）進(jìn)行分析，3件試驗(yàn)件的宏觀形貌如圖16-24。

圖16-24 未開(kāi)裂件和開(kāi)裂件宏觀形貌

1#件螺栓，表面無(wú)明顯缺陷，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2#、3#螺栓桿部未發(fā)現(xiàn)有折疊、拉痕、裂紋等缺陷；螺栓的頭部裂紋與螺栓軸線呈一定角度向內(nèi)擴(kuò)展，其中2#螺栓的頭部裂紋口有輕微擴(kuò)展； 3#螺栓的頭部裂紋口有較大擴(kuò)展，見(jiàn)圖16-25；

圖16-25  螺栓頭部開(kāi)裂處宏觀形貌

（1）掃描電鏡觀察

對(duì)2#、3#螺栓的裂紋進(jìn)行掃描電鏡微觀形貌觀察：

2#螺栓裂紋兩側(cè)的韌窩方向相反，表現(xiàn)為撕裂韌窩特征，見(jiàn)圖16-26、圖16-27。

3#螺栓裂紋兩側(cè)微觀形貌與2#螺栓裂紋相同，為典型的撕裂韌窩形貌，見(jiàn)圖16-28、圖16-29。其中，對(duì)3#螺栓裂紋起源觀察，未發(fā)現(xiàn)夾雜等缺陷，斷裂形貌為塑性韌窩形貌，見(jiàn)圖16-30。          

圖16-26  2#螺栓裂紋兩側(cè)微觀形貌        圖16-27  2#螺栓裂紋兩側(cè)微觀形貌

 圖16-28   3#螺栓裂紋兩側(cè)微觀形貌        圖16-29   3#螺栓裂紋兩側(cè)微觀形貌

圖3 裂紋微觀形貌

圖16-30  裂紋起源處微觀形貌

（2）金相組織檢查

分別對(duì)1#、2#和3#螺栓進(jìn)行

3#

金相組織檢查，依據(jù)《JB/T 5074-2007》標(biāo)準(zhǔn)的球化體評(píng)級(jí)：1#螺栓的顯微組織為均勻分布的球狀珠光體+鐵素體，球化體可評(píng)為6級(jí)，見(jiàn)圖16-31。

2#和3#螺栓的顯微組織基本相同，為球狀珠光體+點(diǎn)狀珠光體+片狀珠光體+鐵素體，球化體可評(píng)為4級(jí)，見(jiàn)圖16-32、圖16-33。

對(duì)3件螺栓表面進(jìn)行酸浸試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)發(fā)紋等表面缺陷。

圖16-31  1#螺栓球化組織        

 圖16-32   2#螺栓球化組織

圖16-33   3#螺栓球化組織

（3）硬度檢測(cè)與化學(xué)成分分析

分別對(duì)3件螺栓的硬度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果：

1#無(wú)裂紋螺栓硬度： 178～180 HV10；

2#有裂紋螺栓硬度：189～193 HV10；

3#有裂紋螺栓硬度：187～194 HV10；

有裂紋的2#和3#兩件螺栓的硬度值要明顯高于無(wú)裂紋的1#螺栓。

分別對(duì)三件螺栓進(jìn)行化學(xué)分析，分析結(jié)果三件螺栓化學(xué)成分均符合《GB/T 3077-1999》40Cr標(biāo)準(zhǔn)要求。

16.5.2 分析與討論

故障件的宏觀形貌分析，裂紋分布與螺栓軸線方向均存有一定的斜角，表面呈開(kāi)口狀，表現(xiàn)為材料塑性不夠或冷鐓變形量過(guò)大引起的開(kāi)裂裂紋特征。

  對(duì)螺栓裂紋微觀形貌的分析表明，裂紋起源處未發(fā)現(xiàn)夾雜和表面缺陷，裂紋擴(kuò)展方式為典型的撕裂擴(kuò)展，裂紋起源處的韌窩形貌表明裂紋的開(kāi)裂原因是表面拉力過(guò)大或強(qiáng)度不夠造成的。

3件螺栓的化學(xué)成分均符合要求。3件螺栓的硬度檢測(cè)結(jié)果有差異，有裂紋的2#和3#兩件螺栓的硬度值要明顯高于無(wú)裂紋的1#螺栓。從

3#

金相組織檢查結(jié)果，1#螺栓的球化體可評(píng)為6級(jí)，組織為為均勻分布的球狀珠光體+鐵素體； 2#和3#螺栓的顯微組織基本相同，球化體可評(píng)為4級(jí)，組織為球狀珠光體+點(diǎn)狀珠光體+片狀珠光體+鐵素體。由于2#和3#螺栓有片狀珠光體存在，造成硬度值高于無(wú)裂紋的1#螺栓，反映出3件螺栓的球化效果有差異。

  依據(jù)《JB/T 5074-2007》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于冷鐓變形量大于80%的中碳合金鋼，其球化率要求為5～6級(jí)。對(duì)于本例分析的3件螺栓，其頭部冷鐓的變形量均大于80%，故其球化率要求需在5級(jí)以上。通過(guò)對(duì)螺栓金相分析結(jié)果來(lái)看，有裂紋存在的2#和3#螺栓的球化率只有4級(jí)，硬度值稍高，滿足不了螺栓冷鐓變形的要求，冷鐓變形開(kāi)裂。而未發(fā)現(xiàn)裂紋的1#螺栓的球化率為6級(jí)，硬度值適中符合要求，冷鐓變形沒(méi)有開(kāi)裂。

由于螺栓頭部冷鐓變形量大，螺栓冷鐓前的球化率不夠，滿足不了螺栓冷鐓變形的要求，造成螺栓冷鐓時(shí)頭部冷鐓開(kāi)裂。

16.5.3  結(jié)論與啟示

（1） 螺栓頭部裂紋是由于原材料球化率不夠引起的冷鐓開(kāi)裂。

（2） 對(duì)頭部冷鐓變形量大的螺栓，原材料的球化率要滿足工藝要求。

（2） 冷鐓變形量大的螺栓對(duì)原材料要提出硬度和球化率的要求；其退火工藝要保證得到滿足工藝要求的硬度和球化率。