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做回自己 质量分析

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 载荷为29.0kN,断裂位置位于头(tou)部六(liu)角面(mian)内,试验后样(yang)品(pin)(pin)如图3所示。根(gen)据“GB/T3098.1-2010”规(gui)定:规(gui)格为M16,性能等级4.8级的粗牙螺栓(shuan)最小(xiao)拉力(li)载荷为65.9 kN,断裂不(bu)(bu)允许发生在头(tou)部。1#样(yang)品(pin)(pin)符合标(biao)准规(gui)定,2#样(yang)品(pin)(pin)不(bu)(bu)符合标(biao)准规(gui)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. 金相分析

将(jiang)2件(jian)样(yang)品(pin)断(duan)裂头部沿纵轴线剖开,经磨制、抛光、腐蚀后(hou)观察头部流(liu)线形貌(mao),如图(tu)(tu)5、图(tu)(tu)6所(suo)示。由图(tu)(tu)5可见,1#试样(yang)(楔负载合格(ge))虽(sui)然流(liu)线分布欠(qian)对(dui)称,但流(liu)线尚且连续(xu),较顺畅,未出现明(ming)显(xian)异(yi)常。由图(tu)(tu)6可见,2#样(yang)品(pin)(楔负载不合格(ge))断(duan)裂源(yuan)为箭(jian)头所(suo)指的流(liu)线转弯(wan)位置(与断(duan)面形貌(mao)吻合),该(gai)试样(yang)头部流(liu)线紊乱、不顺畅,同时左右两(liang)侧流(liu)线明(ming)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(zai)另外几件送(song)检的完好(hao)螺(luo)栓中(zhong)任(ren)取4件进行(xing)头(tou)(tou)部流线(xian)(xian)检测,结果如图(tu)7~10所(suo)(suo)示:图(tu)7所(suo)(suo)示样品(pin)(pin)头(tou)(tou)部流线(xian)(xian)左右对(dui)称,但(dan)局部有紊(wen)乱和不连续(箭(jian)头(tou)(tou)所(suo)(suo)指处(chu)(chu));图(tu)8所(suo)(suo)示样品(pin)(pin)头(tou)(tou)部流线(xian)(xian)紊(wen)乱,并在(zai)流线(xian)(xian)转折处(chu)(chu)断裂(箭(jian)头(tou)(tou)所(suo)(suo)指处(chu)(chu));图(tu)9所(suo)(suo)示样品(pin)(pin)头(tou)(tou)部流线(xian)(xian)连续、顺畅,但(dan)两(liang)侧对(dui)称度(du)欠佳(jia);图(tu)10所(suo)(suo)示样品(pin)(pin)头(tou)(tou)部流线(xian)(xian)左右不对(dui)称,左边紊(wen)乱明(ming)显(xian),箭(jian)头(tou)(tou)所(suo)(suo)指为流线(xian)(xian)转折处(chu)(chu)出现(xian)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(tu)11所(suo)示为(wei)断裂螺(luo)栓杆(gan)部横(heng)截面低倍组(zu)织(zhi)(zhi),可(ke)见(jian)组(zu)织(zhi)(zhi)均匀,未发(fa)现偏析、缩松(song)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所示为断裂螺栓(shuan)芯部金相组(zu)织,为铁素体加少(shao)量珠光体。组(zu)织未(wei)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. 螺栓(shuan)材质(zhi)分析

采用直读光谱法对断裂(lie)螺栓进行化学(xue)(xue)成分分析,结果(guo)如(ru)表2所(suo)示,根据(ju)“GB/T 700-2006”对Q195钢化学(xue)(xue)成分的规定,样品除C量略高于(yu)标准值外(wai),其余各元素含量均在标准范围(wei)内。

表2 断(duan)裂螺栓化学(xue)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

一、送检(jian)螺栓楔负载不(bu)合(he)格原因为(wei)头部流线存(cun)在(zai)紊乱(luan)、不(bu)对称、中断(duan)缺陷;

二、螺栓材质(zhi)硫(liu)化(hua)物夹杂2级,碳含(han)量偏高(gao)。

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