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2Cr13不銹鋼螺栓斷裂原因分析

2Cr13鋼屬于馬氏體不銹鋼,淬火后經(jīng)高溫回火處理,該鋼具有良好的抗弱腐蝕介質(zhì)能力和綜合力學(xué)性能,因而被廣泛應(yīng)用于航空、航天以及船舶等各領(lǐng)域,其中也應(yīng)用于航天緊固件產(chǎn)品。開槽圓柱頭螺栓,材料牌號為2Cr13,在成檢前發(fā)現(xiàn)5件桿部存在軸向裂紋,此批螺栓共計366件,現(xiàn)對其中1件開裂螺栓進(jìn)行原因分析。該批零件由規(guī)格為φ20mm的2Cr13棒材加工制造,其生產(chǎn)工藝流程為:車→銑→鉗→熱處理→磨→滾絲→清洗→表面處理→試驗→成檢。

1.試驗過程與結(jié)果

(1)宏觀檢查  開槽圓柱頭螺栓開裂宏觀形貌如圖1所示,可見螺栓表面裂紋沿軸向分布,較平直,裂紋從頭部臺階處到螺紋端頭,總長約35.1mm,肉眼觀察,裂紋深度較淺,螺栓外表面未見明顯機械損傷。



圖1 開槽圓柱頭螺栓開裂宏觀形貌

(2)金相檢查

由于螺栓較長,分段截取進(jìn)行鑲嵌試樣。截取開裂螺栓桿部縱截面、橫截面進(jìn)行金相檢查,宏觀形貌如圖2所示。根據(jù)GB/T10561試驗方法,對開裂螺栓桿部縱截面進(jìn)行非金屬夾雜評級,A類0.5級,B類2級,C類0級,D類0級,DS0級。經(jīng)4 %硝酸酒精水溶液腐蝕后,螺栓頭部發(fā)現(xiàn)尺寸約(長4.9mm×寬0.6mm)的條帶區(qū)域(見圖2),沿軸向分布,內(nèi)部為晶粒清晰的等軸晶(見圖3),明顯區(qū)別于基體,且對應(yīng)于開裂位置的延伸線。橫向截取開裂螺栓螺紋處腐蝕后,開裂位置未見脫碳現(xiàn)象(見圖4),條帶區(qū)深約0.3mm。基體組織為回火索氏體組織(見圖5)。



圖2  開裂螺栓桿部截面宏觀形貌



圖3  開裂螺栓縱截面形貌



圖4  開裂螺栓橫截面形貌



圖5  螺栓正常位置組織

(3)能譜分析

分別對圖3中基體和條帶區(qū)域進(jìn)行能譜成分分析(EDS),表1為兩區(qū)域能譜成分的半定量分析數(shù)據(jù)。

表1  螺栓基體及條帶區(qū)域能譜成分(重量百分比)結(jié)果(%)

位置

Fe

Cr

Mn

Si

C

基體

84.27

13.70

0.50

0.34

1.19

條帶區(qū)域

97.05

1.29

0.47

0.10

1.09

可以看出,基體主要成分為Fe(84.27%)、Cr(13.70%)、Si等元素,主要成分符合Cr13型不銹鋼要求。條帶區(qū)域主要成分為Fe(97.05%)、Cr(1.29%)、Si等元素,但Fe、Cr元素明顯區(qū)別于基體成分。

(4)硬度測試

分別對異常條帶區(qū)域及基體進(jìn)行顯微硬度測試,測試結(jié)果如表2所示。螺栓硬度滿足設(shè)計要求(26~28.5HRC),偏下限,條帶區(qū)域的硬度明顯偏低。

表2  顯微硬度測試結(jié)果

測試點

維氏硬度HV0.2

換算為HRC

1點

2點

3點

4點

5點

條帶區(qū)域

95

93

95

98

85

基體

260

258

260

259

258

26.0

2.開裂原因分析

對螺栓橫、縱截面金相檢查表明,開裂位置存在沿軸向分布條帶缺陷。對條帶缺陷及正常位置進(jìn)行能譜成分分析,結(jié)果表明條帶缺陷區(qū)域能譜成分明顯區(qū)別于基體成分。雖然能譜分析誤差較大,通常適用于定性分析,不適合精確的定量分析,但已能夠說明問題。從顯微硬度結(jié)果表明條帶區(qū)域硬度明顯低于基體,從而說明兩者存在明顯區(qū)別。從金相組織看缺陷部位的組織與基體組織明顯不同,正常基體為回火索氏體組織,而缺陷位置組織為等軸晶,且具有金屬特征。條帶異常區(qū)域周圍未見脫碳現(xiàn)象,未見非金屬夾雜聚集現(xiàn)象,故綜合分析認(rèn)為條帶區(qū)域是異金屬夾雜。

經(jīng)了解,此原材料棒材為電渣鋼,在冶煉過程中合金料未完全熔化,或者不慎混入其他未熔化金屬均有可能形成異金屬夾雜,微觀上表現(xiàn)為異金屬部位組織與基體組織有明顯的界線,且自身的硬度與基體的硬度存在明顯差異。綜合分析認(rèn)為此缺陷應(yīng)是材料電渣熔煉過程中有異金屬混入所致。由于該缺陷沿軸向分布,破壞了螺栓整體組織的完整性,降低了金屬的塑性和強度,且位于零件表面,在后續(xù)機加工過程中因強度不足造成表面開裂。

3.結(jié)語

通過以上分析得出,原材料異金屬夾雜導(dǎo)致開槽圓柱頭螺栓在機加過程中開裂;對于本批已生產(chǎn)的零件:螺栓表面開裂的直接剔除,其余螺栓建議采用X射線等無損檢測手段進(jìn)行挑選;而對于車間剩余未加工的建議加嚴(yán)原材料檢測,進(jìn)而確定能否使用。為了盡可能降低此批原材料中的異金屬夾雜,應(yīng)該從冶煉抓起,建議聯(lián)系廠家,提高冶煉技術(shù),保障供應(yīng)合格的原材料。

作者:徐宋娟,洪媛媛,馬芳,顏明禮,馬方園

單位:首都航天機械公司計量理化所國家國防重點實驗室

來源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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2021年6月18日 8:22 董Φ钢管厂13337883086 [江苏省常州市网友]

2Cr13不锈钢螺栓断裂原因分析

2021年4月6日 2:36 www.josen.net [江苏省网友]

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2018年4月11日 19:28 情自阑珊 [陕西省商南县网友]

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