常州精密钢管博客

2Cr13不锈钢螺栓断裂原因分析

2Cr13钢属于马氏体不锈钢,淬火后经高温回火处理,该钢具有良好的抗弱腐蚀介质能力和综合力学性能,因而被广泛应用于航空、航天以及船舶等各领域,其中也应用于航天紧固件产品。开槽圆柱头螺栓,材料牌号为2Cr13,在成检前发现5件杆部存在轴向裂纹,此批螺栓共计366件,现对其中1件开裂螺栓进行原因分析。该批零件由规格为φ20mm的2Cr13棒材加工制造,其生产工艺流程为:车→铣→钳→热处理→磨→滚丝→清洗→表面处理→试验→成检。

1.试验过程与结果

(1)宏观检查  开槽圆柱头螺栓开裂宏观形貌如图1所示,可见螺栓表面裂纹沿轴向分布,较平直,裂纹从头部台阶处到螺纹端头,总长约35.1mm,肉眼观察,裂纹深度较浅,螺栓外表面未见明显机械损伤。



图1 开槽圆柱头螺栓开裂宏观形貌

(2)金相检查

由于螺栓较长,分段截取进行镶嵌试样。截取开裂螺栓杆部纵截面、横截面进行金相检查,宏观形貌如图2所示。根据GB/T10561试验方法,对开裂螺栓杆部纵截面进行非金属夹杂评级,A类0.5级,B类2级,C类0级,D类0级,DS0级。经4 %硝酸酒精水溶液腐蚀后,螺栓头部发现尺寸约(长4.9mm×宽0.6mm)的条带区域(见图2),沿轴向分布,内部为晶粒清晰的等轴晶(见图3),明显区别于基体,且对应于开裂位置的延伸线。横向截取开裂螺栓螺纹处腐蚀后,开裂位置未见脱碳现象(见图4),条带区深约0.3mm。基体组织为回火索氏体组织(见图5)。



图2  开裂螺栓杆部截面宏观形貌



图3  开裂螺栓纵截面形貌



图4  开裂螺栓横截面形貌



图5  螺栓正常位置组织

(3)能谱分析

分别对图3中基体和条带区域进行能谱成分分析(EDS),表1为两区域能谱成分的半定量分析数据。

表1  螺栓基体及条带区域能谱成分(重量百分比)结果(%)

位置

Fe

Cr

Mn

Si

C

基体

84.27

13.70

0.50

0.34

1.19

条带区域

97.05

1.29

0.47

0.10

1.09

可以看出,基体主要成分为Fe(84.27%)、Cr(13.70%)、Si等元素,主要成分符合Cr13型不锈钢要求。条带区域主要成分为Fe(97.05%)、Cr(1.29%)、Si等元素,但Fe、Cr元素明显区别于基体成分。

(4)硬度测试

分别对异常条带区域及基体进行显微硬度测试,测试结果如表2所示。螺栓硬度满足设计要求(26~28.5HRC),偏下限,条带区域的硬度明显偏低。

表2  显微硬度测试结果

测试点

维氏硬度HV0.2

换算为HRC

1点

2点

3点

4点

5点

条带区域

95

93

95

98

85

基体

260

258

260

259

258

26.0

2.开裂原因分析

对螺栓横、纵截面金相检查表明,开裂位置存在沿轴向分布条带缺陷。对条带缺陷及正常位置进行能谱成分分析,结果表明条带缺陷区域能谱成分明显区别于基体成分。虽然能谱分析误差较大,通常适用于定性分析,不适合精确的定量分析,但已能够说明问题。从显微硬度结果表明条带区域硬度明显低于基体,从而说明两者存在明显区别。从金相组织看缺陷部位的组织与基体组织明显不同,正常基体为回火索氏体组织,而缺陷位置组织为等轴晶,且具有金属特征。条带异常区域周围未见脱碳现象,未见非金属夹杂聚集现象,故综合分析认为条带区域是异金属夹杂。

经了解,此原材料棒材为电渣钢,在冶炼过程中合金料未完全熔化,或者不慎混入其他未熔化金属均有可能形成异金属夹杂,微观上表现为异金属部位组织与基体组织有明显的界线,且自身的硬度与基体的硬度存在明显差异。综合分析认为此缺陷应是材料电渣熔炼过程中有异金属混入所致。由于该缺陷沿轴向分布,破坏了螺栓整体组织的完整性,降低了金属的塑性和强度,且位于零件表面,在后续机加工过程中因强度不足造成表面开裂。

3.结语

通过以上分析得出,原材料异金属夹杂导致开槽圆柱头螺栓在机加过程中开裂;对于本批已生产的零件:螺栓表面开裂的直接剔除,其余螺栓建议采用X射线等无损检测手段进行挑选;而对于车间剩余未加工的建议加严原材料检测,进而确定能否使用。为了尽可能降低此批原材料中的异金属夹杂,应该从冶炼抓起,建议联系厂家,提高冶炼技术,保障供应合格的原材料。

作者:徐宋娟,洪媛媛,马芳,颜明礼,马方园

单位:首都航天机械公司计量理化所国家国防重点实验室

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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