邯郸市永年区宝创紧固件有限公司logo

中文 / EN

全国统一客服电话 15932107717

背景图片
背景图片

专业知识

某Q235A材料U型螺栓失效分析

2020-09-16

U型螺栓作为常见的固定连接件,主要用于固定管状物如水管,以及片状物如汽车板簧等。断裂U型螺栓见图1,螺栓材质为Q235A,线材下料后两端滚压成M12螺栓,整体再热浸镀锌处理。装配采用扭力扳手,当扭矩达到44N•m时,螺纹部位发生断裂,断裂现象集中于同一生产批次。为了详细分析螺栓断裂原因,从其它批次安装后未断裂的合格螺栓中拆卸1件与断裂螺栓做对比分析。

1、试验材料及方法

首先对断裂螺栓进行宏观目视检查,同时取样分析化学成分,使用扫描电镜对端口形貌及夹杂物进行微观分析。接着分别截取断裂螺栓和合格螺栓螺纹处的横截面和纵截面,制样后利用多功能金相显微镜进行非金属夹杂物和金相组织分析。最后对两种螺栓分别取样进行力学拉伸实验。<

图1
2、检测与结果
2.1 断口分析

断口宏观形貌见图2,断口经超声波清洗后在扫描电镜下观察,结果见图3。裂纹起源于螺纹牙底位置,朝中心扩展,瞬断区处于螺杆中心附近。裂纹源处产生明显由表及里的开裂痕迹,裂纹扩展区可见抛物线韧窝,瞬断区存在撕裂岭并呈准解理特征,解理面上同样存在少量韧窝。韧窝的存在表明材料脆性不明显,具有一定的韧性。断面无疲劳断裂、应力腐蚀断裂、氢脆断裂特征,裂纹扩展区占比大,瞬断区面积小,其在低应力下断裂。

图2
图3
2.2 化学成分分析

用直读光谱仪对断裂螺栓和合格螺栓进行化学成分分析,结果见表1,符合GB/T700-2006《碳素结构钢》标准规定。但断裂螺栓的碳和合金元素含量均高于合格螺栓。

2.3 金相检验

非金属夹杂:在螺纹处分别截取断裂螺栓和合格螺栓的纵截面,经磨抛处理,按GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》标准A法评定,结果见图4。螺栓夹杂物评级见表2。断裂螺栓夹杂物C类2.5级,超过内控标准C类≤1.5级要求,不合格。

图4

晶粒度和组织:取断裂螺栓和合格螺栓的横截面和纵截面分别制样,用4%硝酸酒精溶液室温侵蚀,结果见表三。横截面晶粒度检测,按GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》采用比较法进行评级,两螺栓均无混晶,其中合格螺栓晶粒度为7.0级,见图5(a);断裂螺栓晶粒度为8.5级,见图5(c)。

纵截面观察金相组织,合格螺栓组织为块状铁素体+少量珠光体,带状1级,见图5(b);断裂螺栓的组织为长条状铁素体+珠光体+三次渗碳体+贝氏体,且珠光体含量高于合格螺栓,带状2级,见图5(d)。

图5

螺纹检查:取断裂螺栓断口牙底附近和合格螺栓同位置横截面,经4%硝酸酒精溶液室温侵蚀后在显微镜下观察,两螺栓都存在脱碳层,脱碳层深度相近分别为0.15mm和0.13mm。合格螺栓没有发现微裂纹,见图6(a);断裂螺栓存在微裂纹,裂纹尾部尖细由表向里沿晶扩展,见图6(b)。

图6
2.4 力学性能和硬度检测

将两螺栓平行段加工成拉伸试样,测试其抗拉强度,并取横截面测试其心部维氏硬度,结果见表4。GB/T 700-2006《碳素结构钢》要求Q235A抗拉强度在370~500MPa之间,对比检测结果,对比检测结果,断裂螺栓远超过标准,合格螺栓略高于标准;维氏硬度断裂螺栓高于合格螺栓。

3、分析与讨论

Q235A为碳素结构钢,含碳量较低,韧性和塑性较好,在组织状态优良的情况下具有较好的延展性,可做冲压件。本文对比合格和断裂两螺栓,其夹杂物级别、组织和力学性能上存在明显的差异。

断裂螺栓夹杂物C类2.5级,超过内控标准C类≤1.5级要求,其组织为长条状铁素体+珠光体+三次渗碳体+贝氏体,带状2级,且珠光体含量高于合格螺栓;合格螺栓夹杂物等级合格,组织为块状铁素体+少量珠光体,带状1级。合格螺栓在夹杂物、带状、金相组织方面都好于断裂螺栓。

两者的差异与其原材质纯度和制造工艺有关,原材料的纯度和结晶的均匀性直接影响夹杂物与带状偏析等级。金相组织与轧制工艺有关,Q235A原材料主要制造工艺有热轧、控轧控冷等,预备热处理有控冷、正火。原材料经热轧,当终轧温度偏低,铁素体无法实现完全再结晶,保持轧制中拉长形态,若轧后冷速过慢将导致渗碳体的沿晶析出。同时断裂螺栓C含量高,珠光体数量多,Si、Mn和其它合金元素也高于合格螺栓,其奥氏体更为稳定,在同样的冷却工艺条件下容易形成贝氏体等非平衡组织,相比合格螺栓其晶粒也更细,其强度和硬度会更高。终轧温度低利于形核和抑制晶粒长大,因此晶粒更为细小

对不合格的热轧组织,后续采用正火可以改善带状、消除三次渗碳体和贝氏体非平衡组织,但会增加生产成本。<

合格螺栓组织接近平衡态,组织实现完全再结晶,先共析铁素体成块状,组织均匀无明显带状,各向异性少;断裂螺栓沿晶界聚集有三次渗碳体和贝氏体组织,再结晶不完全铁素体保持两相区轧制的拉长状态,材料的偏析造成带状,存在各向异性。

夹杂物超标以及沿晶界聚集的三次渗碳体组织,易在折弯、冲压、滚压等塑性变形中沿晶界开裂,同时带状会降低横向塑性、脱碳会降低强度和表面硬度、贝氏体组织硬度高不易变形都会增加裂纹倾向。

4、结语

(1)螺栓断裂的主要原因是夹杂物超标及沿晶界聚集的三次渗碳体不合格金相组织,使得滚压过程中螺纹牙底位置形成了沿晶界开裂的微裂纹。

(2)带状会降低横向塑性、贝氏体组织硬度高不易变形都会增加裂纹倾向。

此外,螺栓表面存在的脱碳现象,会影响螺栓的整体力学性能,应尽量避免。

阿里巴巴店铺
点击打开阿里巴巴店铺
爱采购店铺
点击打开爱采购店铺