摘要：飛輪高強(qiáng)度螺栓在安裝時斷裂，斷口通過宏觀、電鏡掃描、能譜分析等均未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，隨后進(jìn)行微觀檢驗方法發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂磨面有裂紋存在。故對裂紋來源進(jìn)行了探究，結(jié)果表明斷裂螺栓磨面裂紋來源于在線切割制樣過程中運(yùn)絲速度過快、冷卻液冷卻不充分、從而受熱導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。為避免以后裂紋的再次出現(xiàn)，建議將線切割機(jī)切割頻率參數(shù)調(diào)至合適的頻率、使用水基切削液、深磨試樣等方法。
關(guān)鍵詞：飛輪；高強(qiáng)度；線切割；深磨試樣
某公司是生產(chǎn)飛輪高強(qiáng)度螺栓的專業(yè)廠家，在安裝過程中出現(xiàn)規(guī)格為M10×1.25×28螺栓螺紋桿部發(fā)生斷裂現(xiàn)象。該斷裂螺栓材料為SCM440，機(jī)械性能等級為10.9級，硬度為39.0HRC-44.0HRC。該斷裂螺栓宏觀形貌見圖1。樣品螺栓在安裝時從螺紋桿部斷裂，扭力矩為91N·m。為查清螺栓斷裂磨面的原因，防止類似事件的發(fā)生，對斷裂螺栓進(jìn)行了電鏡掃描，能譜及理化檢驗分析。
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圖1 宏觀形貌及斷裂部位
1 理化檢驗
1.1宏觀檢驗
該螺栓斷裂于螺紋桿部，其斷口宏觀形貌見圖1。螺栓斷口垂直于軸線，整個斷口宏觀上可分為三個區(qū)：①斷裂源區(qū)，處于斷口的邊緣，螺紋根部。②放射區(qū)，為快速的斷裂區(qū)，呈現(xiàn)明顯的放射狀條紋特征，放射區(qū)面積較大，占斷口總面積的60%～70%。瞬間斷裂區(qū)，處于斷口的中心偏左，并與斷裂源呈45°角，這些特征表明該螺栓斷口為典型的在扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生的混合型斷裂，以脆性斷裂為主。
1.2 斷口分析
運(yùn)用EVO18掃描電子顯微鏡對螺栓斷口進(jìn)行微觀形貌觀察和分析，電鏡下觀察斷口為撕裂準(zhǔn)解理和韌窩狀塑性混合性斷裂（見圖2、3）。
1.3 化學(xué)成分分析
運(yùn)用MAXxLMM05直讀光譜分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，按（GB/T4336-2016 碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法），結(jié)果見表1，可知螺栓的化學(xué)成分滿足協(xié)議SCM440的技術(shù)要求。
表1化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%
元素 | C | S | P | Mn | Si | Cr | Ni | Mo |
標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.38～0.43 | ≤0.030 | ≤0.030 | 0.60～0.90 | 0.15～0.35 | 0.90～1.20 | ≤0.25 | 0.15～0.30 |
實測值 | 0.399 | 0.0070 | 0.0195 | 0.65 | 0.218 | 0.948 | 0.0208 | 0.197 |
1.4金相檢驗
對斷口進(jìn)行縱向線切割，磨制、拋光后，制成金相試樣在光學(xué)顯微鏡下觀察，根據(jù)GB/T10561-2005/ISO4967:1998(E)實際檢驗A法，使用ISO評級圖評定，對鋼中非金屬夾雜物進(jìn)行評級，斷裂螺栓的夾雜物級別為：硫化物類級別：0.5級（細(xì)系）,氧化鋁類級別：0.5級（細(xì)系）,硅酸鹽類級別：0.5級（細(xì)系）,球狀氧化物類級別：1.0級（細(xì)系）。用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3 酒精溶液侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀分析斷裂螺栓的顯微組織。在光學(xué)顯微鏡下觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常的細(xì)小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；組織中存在數(shù)條疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象，沿晶分布，（見圖4、5）。用掃描電鏡及能譜儀對疑似裂紋痕跡區(qū)域進(jìn)行分析，痕跡區(qū)域成分主要為Fe、Cr、Mn元素，為基體組織內(nèi)部正常元素，非外界物或者非金屬夾雜物質(zhì)（見圖6、7、8、9、10、11和表2、表3）。
譜圖 | C% | Cr% | Fe% |
譜圖1 | 7.63 | 1.11 | 91.26 |
譜圖2 | —— | 1.17 | 98.83 |
譜圖3 | 7.91 | 1.25 | 90.84 |
譜圖 | C% | Mn% | Fe% |
譜圖1 | 1.32 | 2.17 | 96.51 |
譜圖2 | 1.04 | 1.48 | 97.47 |
譜圖3 | 1.06 | —— | 98.94 |
表2 能譜分析元素重量百分比表3 能譜分析元素重量百分比
將其掃描過分析的試樣磨面進(jìn)行一次粗拋光和一次精拋光，試樣磨面的疑似裂紋均已經(jīng)不存在（見圖12、13）。
1.5硬度測試
用HR-150A洛氏硬度計對螺栓斷口橫截面，從螺栓表面至芯部進(jìn)行硬度測試，其結(jié)果（見表4），結(jié)果顯示硬度較均勻，表面硬度在35.9HRC～37.3HRC范圍，平均值為 36.5HRC，芯部硬度為36.3HRC～38.3HRC,平均值為37.1HRC。
表4硬度測試結(jié)果
測試部位 | 實測值（HRC） | 平均值(HRC) |
表面 | 36.6 | 37.3 | 36.0 | 36.6 | 35.9 | 36.5 |
芯部 | 38.3 | 36.3 | 37.0 | 37.4 | 36.4 | 37.1 |
2 尋找裂紋來源
為探究斷裂螺栓磨面疑似裂紋來源，將裝機(jī)完好的螺栓抽取5件反復(fù)從人、機(jī)、料、法、環(huán)多方面進(jìn)行分析驗證，具體驗證分析如下：
2.1 相同設(shè)備、相同人員、相同環(huán)境、不同方法下驗證
對1#螺栓采用原有線切割機(jī)進(jìn)行縱向切割，原有人員進(jìn)行金相制樣，改變磨樣方法，分四次逐層由表至里進(jìn)行磨樣，拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細(xì)小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；前三次磨樣都存在數(shù)條疑似網(wǎng)狀裂紋形態(tài)現(xiàn)象，沿晶分布。第四次未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象，見圖14、15、16、17。
2.2 相同設(shè)備、不同人員、相同環(huán)境、不同方法下驗證
對2#螺栓采用原有線切割機(jī)進(jìn)行縱向切割，不同人員進(jìn)行金相制樣，改變磨樣方法，分四次逐層由表至里進(jìn)行磨樣，拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細(xì)小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；同樣前三次磨樣仍存在數(shù)條疑似網(wǎng)狀裂紋形態(tài)現(xiàn)象，沿晶分布。第四次未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象，見圖18、19、20、21。
2.3 不同設(shè)備、相同人員、不同環(huán)境、相同方法下驗證
對3#螺栓采用不同實驗室線切割機(jī)進(jìn)行縱向切割，由原有人員分兩次逐層由表至里進(jìn)行磨樣，拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細(xì)小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象。見圖22、23。
通過對1#、2#、3#螺栓采用以上方法進(jìn)行反復(fù)驗證后，發(fā)現(xiàn)不同線切割機(jī)之間切割頻率參數(shù)設(shè)置不一致、使用的冷卻液不一致。繼續(xù)對4#和5#螺栓進(jìn)行驗證。
2.4 相同設(shè)備、相同人員、相同環(huán)境、相同方法下驗證
對4#螺栓采用原有線切割機(jī)設(shè)備，將切割頻率調(diào)至25Hz，更換冷卻液后進(jìn)行縱向切割，原有人員進(jìn)行金相制樣，分兩次逐層由表至里進(jìn)行磨樣，拋光用經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細(xì)小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象。見圖24、25。
2.5 相同設(shè)備、不同人員、相同環(huán)境、相同方法下驗證
對5#螺栓采用原有線切割機(jī)設(shè)備，將切割頻率調(diào)至25Hz，更換冷卻液后進(jìn)行縱向切割，不同人員進(jìn)行金相制樣，分兩次逐層由表至里進(jìn)行磨樣，拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液侵蝕后，用光學(xué)顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細(xì)小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象。見圖26、27。
3 綜合分析及結(jié)論
（1）由于斷裂螺栓失效后，在做失效分析過程中發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂面存在網(wǎng)狀疑似裂紋痕跡，能譜分析疑似裂紋痕跡區(qū)域成分為基體本身材質(zhì)成分，非外來物質(zhì)或者原材料本身的非金屬夾雜物。
（2）為探究斷裂螺栓磨面疑似裂紋來源，將裝機(jī)完好的螺栓抽取5件反復(fù)從人、機(jī)、料、法、環(huán)多方面進(jìn)行分析驗證，樣品拋光腐蝕后疑似裂紋痕跡出現(xiàn)可有可無現(xiàn)象。由此可見，通過不同人員，不同設(shè)備，不同的制樣方法，不同的切削液反復(fù)驗證，總結(jié)得出，線切割機(jī)在切割時頻率過快，切削液不能快速冷卻，導(dǎo)致螺栓切面受熱，改變了組織，出現(xiàn)了表面微裂紋現(xiàn)象。
（3）為避免此類現(xiàn)象發(fā)生，建議將線切割機(jī)切割頻率參數(shù)調(diào)至合適的頻率、使用水基切削液、深磨試樣等方法。
參考文獻(xiàn)
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