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不锈钢螺钉断裂失效分析
作者:汽车质量家 发布日期:2020年05月07日 浏览:
不锈钢螺钉断裂失效分析

1Cr18Ni9Ti是一种较典型的18-8型奥氏体不锈钢,具有良好的塑性和韧性,加工硬化速率较高,只能通过冷加工提高强度,目前在航空、航天领域应用广泛。

 

某公司产生的标准GB/T 819.2—2016,规格M3×12,材质1Cr18Ni9Ti沉头螺钉,在装配后做耐久振动试验时,20余件全部断裂。断裂件整体形貌如图1所示。

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图1  断裂件

 

 

由图1可知,断件未发生明显塑性变形,断口较为平齐,呈灰白色,未见腐蚀特征,断面1/3处有一台阶,裂纹源位于台阶两侧,源区呈光亮色,有扩展台阶。

 

 

1.分析验证

(1)断口微观分析

断裂件微观断口形貌特征如图2所示。从图2中可以看出:裂纹源区由于磨损严重,看不出具体形貌;扩展区呈典型的疲劳条带。由此可知,此螺钉断裂方式为疲劳断裂。

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图2  微观断口分析

(2)显微组织分析

对断裂件进行金相分析,结果如图3所示。

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(a)断口处显微组织(500×)  

 

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(b)断裂件非金属夹杂物(100×)

 

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(c)断口处牙根裂纹(500×) 

 

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(d)不连续性(100×)

图3  断裂件显微组织

 

由图3可知,断口处显微组织为奥氏体基体上存在的滑移特征,组织为冷变形组织,未发现异常;未发现对力学性能影响较大的非金属夹杂物;断口附近螺纹牙根处存在微观裂纹,裂纹垂直于牙根沿径向扩展,其余部位未发现折叠、裂纹、发纹等。

 

通过显微组织分析,螺栓表层存在白亮层,厚度约为40μm,对白亮层进行显微硬度分析,结果见表1。

 

 

表1  白亮层硬度值

不锈钢螺钉断裂失效分析

(3)力学性能分析

对断裂件及同批次完好件做硬度分析,具体试验结果见表2。

 

表2  硬度值   (HV3)

不锈钢螺钉断裂失效分析

 

 

断裂件越靠近断口处硬度值越高,表明断口处产生冷作硬化;完好件硬度值基本一致,未见明显差异。

 

对同批次完好件进行拉伸、破坏扭矩试验,具体试验结果见表3。

表3  拉力和破坏扭矩

不锈钢螺钉断裂失效分析

依据GB/T 819.2—2016、GB/T 3098.6—2014技术条件,破坏拉力不满足标准要求,而破坏扭矩在标准值下限。

 

 

(4)对比验证

为进一步分析螺钉断裂原因,对同批次完好件进行扭断和拉断试验,具体分析结果如图4所示。

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(a)扭断(30×)

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(b)拉断(6.7×)

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(c)拉断(30×)

不锈钢螺钉断裂失效分析

(d)拉伸断口

不锈钢螺钉断裂失效分析

(e)扭断断口

不锈钢螺钉断裂失效分析

(f)扭断断口

图4  扭断与拉断断口

 

 

通过对比,扭断断口呈旋转特征,而拉断断口明显产生缩颈,且断口均呈灰色特征。微观断口均为韧窝形貌,与断裂件断口明显存在较大差异。

 

 

2.分析与讨论

从断口上看,断裂螺钉断口平齐,未发现明显塑性变形;微观断口分析,裂纹扩展区存在疲劳条带,该螺钉断裂方式为疲劳断裂;显微组织未发现过热、过烧现象,表层存在白亮层,白亮层显微硬度较高,可能采用的是氨气分解光亮固溶处理工艺,造成螺钉表面轻微渗氮。

 

 

 

从力学性能上看,心部硬度较低,依据HB0-94-77换算成抗拉强度约为450MPa,不满足GB819.2—2016中规定的A2-70要求。破坏拉力值较低,小于标准值;而破坏扭矩在标准值下限,螺钉表面存在硬化层对扭矩影响较大。

 

 

 

3.结语

综上所述,该断裂产品性能与GB819.2—2016中规定的A2-70性能等级不符。螺钉断裂方式为疲劳断裂。由于产品强度较低,安装后做耐久振动时,受双向弯曲载荷作用,在螺钉两侧牙根部位形成裂纹,裂纹进一步扩展直至相交断裂形成台阶。议在使用前对螺钉性能进行复查,确保满足产品标准要求。


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