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金球奖 质量分析(xi)

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#样品断裂(lie)(lie) 载(zai)(zai)荷为29.0kN,断裂(lie)(lie)位(wei)置位(wei)于(yu)头(tou)部(bu)(bu)六角面(mian)内,试(shi)验后样品如图3所示。根据“GB/T3098.1-2010”规定(ding):规格为M16,性能等(deng)级4.8级的(de)粗牙螺栓最(zui)小拉力(li)载(zai)(zai)荷为65.9 kN,断裂(lie)(lie)不允许发生在头(tou)部(bu)(bu)。1#样品符合标(biao)准规定(ding),2#样品不符合标(biao)准规定(ding)。

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. 金相分析

将2件样品断裂(lie)头(tou)部沿纵轴线(xian)剖开,经磨制(zhi)、抛光(guang)、腐蚀(shi)后观察头(tou)部流(liu)(liu)线(xian)形(xing)貌(mao),如图(tu)5、图(tu)6所示(shi)。由(you)图(tu)5可见,1#试(shi)样(楔负(fu)载合格)虽(sui)然流(liu)(liu)线(xian)分布欠对(dui)称,但流(liu)(liu)线(xian)尚(shang)且(qie)连续,较(jiao)顺畅(chang)(chang),未(wei)出现明显(xian)异常。由(you)图(tu)6可见,2#样品(楔负(fu)载不合格)断裂(lie)源(yuan)为箭头(tou)所指的(de)流(liu)(liu)线(xian)转弯位置(与断面形(xing)貌(mao)吻合),该(gai)试(shi)样头(tou)部流(liu)(liu)线(xian)紊乱、不顺畅(chang)(chang),同(tong)时(shi)左右(you)两侧流(liu)(liu)线(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(ling)外几件送检(jian)的(de)完好螺(luo)栓中(zhong)任取4件进行头(tou)(tou)(tou)(tou)部流(liu)(liu)线(xian)(xian)检(jian)测,结(jie)果如图(tu)7~10所(suo)(suo)示:图(tu)7所(suo)(suo)示样品(pin)头(tou)(tou)(tou)(tou)部流(liu)(liu)线(xian)(xian)左右(you)对(dui)称,但(dan)(dan)局部有(you)紊(wen)乱(luan)和不连续(箭头(tou)(tou)(tou)(tou)所(suo)(suo)指(zhi)(zhi)处(chu));图(tu)8所(suo)(suo)示样品(pin)头(tou)(tou)(tou)(tou)部流(liu)(liu)线(xian)(xian)紊(wen)乱(luan),并在流(liu)(liu)线(xian)(xian)转(zhuan)折(zhe)处(chu)断裂(箭头(tou)(tou)(tou)(tou)所(suo)(suo)指(zhi)(zhi)处(chu));图(tu)9所(suo)(suo)示样品(pin)头(tou)(tou)(tou)(tou)部流(liu)(liu)线(xian)(xian)连续、顺畅,但(dan)(dan)两侧对(dui)称度(du)欠佳;图(tu)10所(suo)(suo)示样品(pin)头(tou)(tou)(tou)(tou)部流(liu)(liu)线(xian)(xian)左右(you)不对(dui)称,左边(bian)紊(wen)乱(luan)明显,箭头(tou)(tou)(tou)(tou)所(suo)(suo)指(zhi)(zhi)为流(liu)(liu)线(xian)(xian)转(zhuan)折(zhe)处(chu)出现中(zhong)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所示为断裂螺栓杆部横截面低倍(bei)组织(zhi),可见组织(zhi)均匀,未发现(xian)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(shi)为(wei)断(duan)裂螺栓芯部金(jin)相组(zu)织,为(wei)铁素体加少量珠(zhu)光(guang)体。组(zu)织未现异常。


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)栓材质分析

采用直读(du)光谱(pu)法(fa)对断裂螺栓进行化学(xue)成分(fen)分(fen)析,结果如表2所示,根据“GB/T 700-2006”对Q195钢化学(xue)成分(fen)的规(gui)定,样品(pin)除(chu)C量略(lve)高于标准值外(wai),其余(yu)各(ge)元素含量均在标准范(fan)围内。

表2 断裂螺栓化学成(cheng)分

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化(hua)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(jie)论

一(yi)、送(song)检螺(luo)栓楔(xie)负(fu)载不合格原因为头部流线存在紊乱、不对称、中断(duan)缺陷;

二(er)、螺栓材质硫化物(wu)夹杂2级,碳含量偏高。

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