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帝霸 质量(liang)分析

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(yang)品(pin)(pin)断裂 载荷(he)为29.0kN,断裂位(wei)(wei)置位(wei)(wei)于(yu)头部(bu)六角(jiao)面(mian)内(nei),试验后样(yang)品(pin)(pin)如(ru)图3所示。根据(ju)“GB/T3098.1-2010”规定:规格为M16,性能(neng)等级4.8级的(de)粗牙螺栓最小拉力载荷(he)为65.9 kN,断裂不允(yun)许发生在头部(bu)。1#样(yang)品(pin)(pin)符合标准规定,2#样(yang)品(pin)(pin)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(jin)相分析

将2件(jian)样(yang)(yang)品断裂(lie)头(tou)(tou)部(bu)沿纵轴线(xian)(xian)剖开,经磨制、抛光、腐蚀(shi)后观察(cha)头(tou)(tou)部(bu)流(liu)线(xian)(xian)形(xing)貌(mao),如图5、图6所(suo)(suo)示。由图5可见,1#试(shi)样(yang)(yang)(楔(xie)负载合(he)(he)(he)格)虽然(ran)流(liu)线(xian)(xian)分布(bu)欠(qian)对(dui)称,但流(liu)线(xian)(xian)尚且连续(xu),较(jiao)顺(shun)畅,未出现明显(xian)异常。由图6可见,2#样(yang)(yang)品(楔(xie)负载不合(he)(he)(he)格)断裂(lie)源为箭头(tou)(tou)所(suo)(suo)指的(de)流(liu)线(xian)(xian)转(zhuan)弯位置(与断面形(xing)貌(mao)吻(wen)合(he)(he)(he)),该试(shi)样(yang)(yang)头(tou)(tou)部(bu)流(liu)线(xian)(xian)紊乱(luan)、不顺(shun)畅,同时左右两(liang)侧流(liu)线(xian)(xian)明显(xian)不对(dui)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(jian)(jian)送检的完好螺(luo)栓中任取4件(jian)(jian)进行(xing)头(tou)部流线(xian)(xian)检测,结果(guo)如图7~10所(suo)(suo)(suo)示:图7所(suo)(suo)(suo)示样(yang)品头(tou)部流线(xian)(xian)左右对(dui)称(cheng),但(dan)局部有紊乱和不连(lian)续(箭(jian)(jian)头(tou)所(suo)(suo)(suo)指(zhi)处(chu));图8所(suo)(suo)(suo)示样(yang)品头(tou)部流线(xian)(xian)紊乱,并在流线(xian)(xian)转(zhuan)折处(chu)断裂(箭(jian)(jian)头(tou)所(suo)(suo)(suo)指(zhi)处(chu));图9所(suo)(suo)(suo)示样(yang)品头(tou)部流线(xian)(xian)连(lian)续、顺畅,但(dan)两侧对(dui)称(cheng)度欠(qian)佳;图10所(suo)(suo)(suo)示样(yang)品头(tou)部流线(xian)(xian)左右不对(dui)称(cheng),左边紊乱明显(xian),箭(jian)(jian)头(tou)所(suo)(suo)(suo)指(zhi)为流线(xian)(xian)转(zhuan)折处(chu)出现(xian)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(suo)示(shi)为断(duan)裂螺栓杆部横截(jie)面低倍组织,可见组织均匀,未发(fa)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(duan)裂螺栓芯部金(jin)相组织,为铁素体(ti)加少量珠光体(ti)。组织未现异常(chang)。


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(luo)栓材质(zhi)分析

采用直(zhi)读光谱法对断裂螺栓进行化学成分(fen)分(fen)析,结果如表2所示(shi),根据(ju)“GB/T 700-2006”对Q195钢化学成分(fen)的规定,样品除(chu)C量(liang)(liang)略高于标准值外(wai),其余(yu)各元(yuan)素含量(liang)(liang)均在标准范围内。

表(biao)2 断裂螺(luo)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(lun)

一、送检螺栓楔负载(zai)不合(he)格原因为头部流线存在紊乱、不对称(cheng)、中断缺陷(xian);

二、螺栓材质硫(liu)化(hua)物夹杂2级,碳(tan)含量偏(pian)高(gao)。

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