再回火后的样件进行金相组织观察
发布时间:2019-06-20 11:34

  中国机械工业联合会机经网发布时间:2018-05-24 13:54:05 来源:金蜘蛛紧固件网

  12.9 级法兰面螺栓在安装后发生断裂,通过金相检验,显微硬度以及断口分析。

  结果表明:断裂螺栓表面与心部显微组织为回火托氏体(马氏体位向)+ 未溶铁素体,表面存在高碳回火托氏体,约0.10mm 的增碳层;且表面硬度明显高于心部硬度,表面硬度和心部硬度检验结果不符合12.9 级螺栓硬度的要求,高于435HV;断口表面处为沿晶断口,具有典型的脆性断裂特征,失效为脆性断裂。

  主要原因为表面增碳和回火不充分;次要原因为原材料非金属夹杂物D 类为2 级,对12.9 级螺栓应该是不合格的组织。

  某乘用车12.9 级规格M10X1.25X20 法兰面螺栓,见图1 ,螺纹第2 ~ 8 牙处涂锁固胶,在汽车总装厂装配用气动工具拧紧螺栓,设定预紧扭矩为90Nm 装配时发生断裂。失效的表现形式为沿螺纹周圆开裂,向心部扩散,装配示意图见图2,断口形貌见图3。

  该批次失效螺栓断口的宏观特征基本相似。从图3 可见,裂纹源自螺栓螺纹表面且垂直于螺栓轴线向一侧扩展,断口比较平整,断口有3 个区域:1 区裂纹源区具有浅黑色边缘,存在不明显的弧形放射状纹路,螺纹的整个周边,有明显的晶粒亮点,占25% ~ 30%;2 区有明显的弧形贝纹线 区为终断区。由断口特征形貌判断,裂纹经历了两个阶段,1 区为裂纹慢速扩展区,2 区、3 区为裂快速扩展区。

  在扫描电镜下观察断口微观形貌:1 区靠近断口表面处为沿晶断口,具有典型的脆性断裂特征,浅黑色为增碳层深度(图4)。2 区、3 区断口心部形貌为韧窝断口+ 沿晶断口共存区(图5),晶界和断口上未见腐蚀物,且有二次裂纹,表明裂纹是在受力后形成。

  将断裂螺栓研磨、抛光后,在金相显微镜下放大500X 观察,螺栓表面与心部为回火托氏体(马氏体位向)+ 未溶铁素体(图5 ~图6),符合GB/T3098.1-2010 中规定12.9 级金相组织要求。但表面有约0.10mm 的增碳层(图7~图8)。

  断裂螺栓钢中非金属夹杂物按GB/T 10561-2005 标准评级图进行评级。断裂的螺栓钢中D 类球状氧化物夹杂物较为细小,其级别约为细D2 级;B 类硫化物类夹杂物沿螺栓纵向分布,其级别约为细B0.5 级(图9 ~图10),表明螺栓钢的冶金质量尚可。

  经检验,断裂螺栓表面硬度和心部硬度检验结果(表1)均不符合GB/T3098.1-2010 中规定12.9 级螺栓硬度的要求;由于表面存在高碳回火托氏体,螺栓表面硬度明显高于心部硬度,高硬度对缺口材料具有较强的脆性敏感性。

  螺栓心部微观形貌为韧窝和沿晶共存的断口,考虑原因之一是回火不充分导致,为验证分析,对断裂螺栓进行再回火试验,检测其硬度是否发生变化。回火工艺按工艺规定450℃±10℃,保温130min。

  再回火后与再回火前螺栓硬度相比见表2,均有较大幅度降低,判定断裂螺栓存在回火不充分现象,组织为马氏体位向的回火托氏体+ 未溶铁素体,由此可判定热处理回火不充分,螺栓组织应力和热应力不能得到完全释放,硬度偏高,应力与高硬度叠加,造成发生脆性断裂可能性增大。再回火后的样件进行金相组织观察,表层颜色略深现象仍然存在。

  GB/T3098.1-2010 中规定12.9 级螺栓硬度要求385 ~ 435HV10,表面硬度不应比心部硬度高出30HV 单位。螺栓心部硬度和表面硬度都超出12.9 级螺栓要求,表层硬度超出心部硬度约50HV 左右,明显不符合标准要求。

  螺栓表层微观形貌为沿晶断口,结合表面硬度偏高,金相组织表面为一圈发黑薄层(高碳回火托氏体),判定该螺栓表面已发生增碳。增碳使螺栓表面脆性增大,同时增加发生早期脆性断裂的可能,对比未断裂件表面没有增碳现象。

  原材料非金属夹杂物D 类(球状氧化物)2 级,对12.9 级螺栓应该是不合格的组织。B 类(氧化铝类)和D 类(球状氧化物类)是造成早期疲劳破坏的主要原因之一,一般紧固件的强度级别越高,夹杂物的危害性越大;夹杂物尺寸越大、距表面距离越近,危害性越大。

  夹杂物的有害尺寸随着材料塑性的降低和夹杂物存在位置接近表层而降低,冷镦钢最表层夹杂物的临界值在10um 以下。因此,通常要求距表面2mm 以内的夹杂物应不大于10 ~ 15um。强度级别越高,距表面越近的有害夹杂物允许存在的尺寸越小,有必要严格控制钢中的夹杂物。

  六角头螺栓断裂样件显微组织基本符合GB/T3098.1-2010 中12.9 级螺栓要求,但维氏硬度超出标准中要求,失效为脆性断裂。表面增碳和回火不充分为主要原因;原材料非金属夹杂物D 类为2 级,对12.9 级螺栓应该是不合格的组织,为次要原因。从热处理工艺和原材料方面查找影响因素。

  [1]夏立芳. 金属热处理工艺学[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社 ,2008.

  [2]钟群鹏,赵子华. 断口学[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

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