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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(kāi)槽圓柱頭螺栓,材料牌號(hào)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(jì)366件,現(xiàn)對(duì)其中1件開(kāi)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(chē)→銑→鉗→熱處理→磨→滾絲→清洗→表面處理→試驗(yàn)→成檢。

    1.試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

    (1)宏觀(guān)檢查  開(kāi)槽圓柱頭螺栓開(kāi)裂宏觀(guān)形貌如圖1所示,可見(jiàn)螺栓表面裂紋沿軸向分布,較平直,裂紋從頭部臺(tái)階處到螺紋端頭,總長(zhǎng)約35.1mm,肉眼觀(guān)察,裂紋深度較淺,螺栓外表面未見(jiàn)明顯機(jī)械損傷。



    圖1 開(kāi)槽圓柱頭螺栓開(kāi)裂宏觀(guān)形貌

    (2)金相檢查

    由于螺栓較長(zhǎng),分段截取進(jìn)行鑲嵌試樣。截取開(kāi)裂螺栓桿部縱截面、橫截面進(jìn)行金相檢查,宏觀(guān)形貌如圖2所示。根據(jù)GB/T10561試驗(yàn)方法,對(duì)開(kāi)裂螺栓桿部縱截面進(jìn)行非金屬夾雜評(píng)級(jí),A類(lèi)0.5級(jí),B類(lèi)2級(jí),C類(lèi)0級(jí),D類(lèi)0級(jí),DS0級(jí)。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(zhǎng)4.9mm×寬0.6mm)的條帶區(qū)域(見(jiàn)圖2),沿軸向分布,內(nèi)部為晶粒清晰的等軸晶(見(jiàn)圖3),明顯區(qū)別于基體,且對(duì)應(yīng)于開(kāi)裂位置的延伸線(xiàn)。橫向截取開(kāi)裂螺栓螺紋處腐蝕后,開(kāi)裂位置未見(jiàn)脫碳現(xiàn)象(見(jiàn)圖4),條帶區(qū)深約0.3mm。基體組織為回火索氏體組織(見(jiàn)圖5)。



    圖2  開(kāi)裂螺栓桿部截面宏觀(guān)形貌



    圖3  開(kāi)裂螺栓縱截面形貌



    圖4  開(kāi)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(duì)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(cè)試

    分別對(duì)異常條帶區(qū)域及基體進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表2所示。螺栓硬度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(cè)試結(jié)果

    測(cè)試點(diǎn)

    維氏硬度HV0.2

    換算為HRC

    1點(diǎn)

    2點(diǎn)

    3點(diǎn)

    4點(diǎn)

    5點(diǎn)

    條帶區(qū)域

    95

    93

    95

    98

    85

    基體

    260

    258

    260

    259

    258

    26.0

    2.開(kāi)裂原因分析

    對(duì)螺栓橫、縱截面金相檢查表明,開(kāi)裂位置存在沿軸向分布條帶缺陷。對(duì)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(shuō)明問(wèn)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(shuō)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?chē)匆?jiàn)脫碳現(xiàn)象,未見(jiàn)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(guò)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(guān)上表現(xiàn)為異金屬部位組織與基體組織有明顯的界線(xiàn),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(guò)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(qiáng)度,且位于零件表面,在后續(xù)機(jī)加工過(guò)程中因強(qiáng)度不足造成表面開(kāi)裂。

    3.結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)以上分析得出,原材料異金屬夾雜導(dǎo)致開(kāi)槽圓柱頭螺栓在機(jī)加過(guò)程中開(kāi)裂;對(duì)于本批已生產(chǎn)的零件:螺栓表面開(kāi)裂的直接剔除,其余螺栓建議采用X射線(xiàn)等無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)行挑選;而對(duì)于車(chē)間剩余未加工的建議加嚴(yán)原材料檢測(cè),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(chǎng)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(jī)械公司計(jì)量理化所國(guó)家國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

    來(lái)源:《金屬加工(熱加工)》雜志

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