作者：周斌，金林奎，黃持偉，楊宇飛
單位：廣東省東莞市質量監督檢測中心、國家模具產品質量監督檢驗中心
45K冷鐓鋼常用於冷鐓加工製造緊固件、連接件，如螺栓、螺母等。冷鐓加工是在常溫下塑性成形的加工工藝，採用冷鐓工藝製造緊固件，不但效率高、質量好，而且用料省、成本低，但冷鐓工藝對原材料質量要求較高。冷鐓鋼冷加工成形的性能良好，產品尺寸精度高，表面粗糙度好，生成效率高，是新興的先進加工工藝。
本文對六角凸緣螺栓斷裂失效件的化學成分、表面硬度、斷口形貌及顯微組織進行理化檢測，分析和推斷螺栓失效件斷裂的原因以及斷裂形成機理。
宏觀檢查
該螺栓失效件材料採用45K冷鐓鋼加工製造，螺栓型號為M8×40mm。加工工藝流程為冷鐓調質搓絲酸洗鍍鋅。該六角凸緣螺栓在裝配過程中發生斷裂，斷裂部位位於螺杆中部的螺母鎖緊位置（見圖1a）。六角凸緣螺栓零件由六角凸緣和螺杆構成（見圖1b），該螺栓斷裂失效件為客戶提供，斷裂件六角凸緣端已被截取，斷裂件螺杆端也已剖開為兩半，且兩截斷裂件外觀色澤偏差較大，右側斷裂件的剖面是線切割加工形成的（見圖1c）。
（a）螺栓裝配圖
（b）螺栓成品件 （c）螺栓斷裂件
圖1 螺栓成品及斷裂件
結果與討論
（1）化學成分分析
從該螺栓斷裂件上截取試樣，採用ARL8860火花放電直讀光譜儀進行化學成分檢測。依據標準JIS G3507-1-2010《冷鐓用碳素鋼 第1部分：盤條》進行判定，化學成分符合規範要求（見表1）。
表1 失效件樣品化學成分測試結果(質量分數)（%）
（2）表面硬度檢測
從該螺栓斷裂件上截取試樣，採用Qness Q150數顯洛氏硬度計進行表面硬度檢測。檢測結果表明，實測硬度值符合客戶規範要求 （見表2）。
表2 失效件樣品表面硬度測試結果（HRC）
（3）掃描電鏡檢測
採用SIGMA 300掃描電子顯微鏡，對螺栓失效件斷口進行檢測。六角凸緣端斷口為圓錐形凸起，螺杆端斷口為圓錐形凹坑。對六角突緣端圓錐凸起斷口進行檢測，圖2a所示左側為六角突緣端斷口的螺牙齒頂外緣，右側為斷口中心凸起圓錐面。距螺杆螺牙底槽部位存在周向開裂的裂紋，裂紋呈多條平行條紋，表明材料表面強度極低。圖2a中紅框區域的倍率經放大，螺牙底槽裂紋顯示多源臺階的應力開裂特徵。該處存在應力集中現象，而且材料表面強度低，因而存在多條多源臺階裂紋源的開裂特徵形貌（見圖2b），由此推斷螺牙底槽部位屬於斷口的斷裂起始區。
（a）低倍形貌（120×） （b）高倍形貌（5000×）
圖2 螺牙底槽形貌
斷裂起始區斷口呈現細小等軸韌窩特徵形貌（見圖3a），表明材料基體組織韌性較好。靠近圓錐形凸起尖端的斷裂終斷區，斷口仍以細小等軸韌窩為主，同時存在較多量撕裂稜及變形韌窩（見圖3b），該處為斷口終斷區快速擴展特徵。
（a）起始區形貌（5000×） （b）終斷區形貌（5000×）
圖3 螺栓斷口形貌
（4）金相檢測分析
採用Axio Observer 7m金相顯微鏡，對螺栓斷裂件基體組織進行金相檢測。試樣未經腐蝕劑浸蝕時，螺牙側面明顯可見不同形態的表面裂紋，表面裂紋的縱深度及垂直深度大多在60～160μm。無論是彎曲裂紋還是分叉裂紋，裂紋的尾部都呈圓鈍狀（見圖4a～4d），顯示擠壓變形的摺疊裂紋特徵形貌。
（a）100× （b）100×
（c）500× （d）500×
圖4 螺牙表面裂紋
金相顯微鏡檢測，螺杆上幾乎每個螺牙側面都存在表面摺疊裂紋。螺牙底部凹槽由圓角過渡，但過渡圓角的R半徑較小（見圖5a）。經測量，螺牙底槽R角半徑為0.18mm，螺牙底槽R角半徑越小，對應的應力集中越大。圖示螺牙表層覆蓋一層亮灰色的鍍鋅層，經測量該處鍍鋅層厚度為9.62μm（見圖5b）。
（a）表面摺疊裂紋（50×） （b）表面鍍鋅層（500×）
圖5 螺牙表面形貌
經腐蝕劑浸蝕後檢測，有些螺牙側面及底槽都存在表面摺疊裂紋，同時螺牙表層呈現亮黃色（見圖6a～6b），螺牙表層組織存在差異。圖片經放大，表面摺疊裂紋縫隙兩側存在明顯的脫碳層（見圖6c～6d）。螺栓在冷鐓過程中產生摺疊裂紋，在調質處理的加熱過程中發生氧化脫碳，後期搓絲加工過程使摺疊裂紋進一步擠壓成細長的裂紋。
（a）100× （b）100×
（c）500× （d）500×
圖6 螺牙表面裂紋
螺牙側面發現開口較大的表面摺疊裂紋，裂紋間隙兩側的表面脫碳現象更為明顯。在表面摺疊裂紋的周圍呈現變形的纖維狀組織，表明搓絲加工之前螺栓表面已存在較大的凹坑，在搓絲過程中經擠壓變形而形成摺疊裂紋（見圖7a）。在表面摺疊裂紋的開口處存在兩處圓弧狀的凹坑，這是表面腐蝕的特徵形貌，表明在鍍鋅處理之前，螺栓零件經過酸洗處理，而且酸洗處理時間較長，已經在表面形成較深的腐蝕凹坑（見圖7b）。
（a） （b）
圖7 螺牙表面裂紋（500×）
在螺牙底槽部位存在鍥形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基體呈現嚴重變形的纖維狀組織。由於搓絲加工產生的拉向應力已經大於材料的抗拉強度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑（見圖8a）。經測量，搓絲擠壓加工的變形層深度達120μm。在螺牙底槽存在較多量的圓弧狀腐蝕凹坑（見圖8b），表明螺栓在酸洗處理過程中，酸洗處理時間過長。
（a）撕裂凹坑（200×） （b）腐蝕凹坑（200×）
圖8 螺牙底槽形貌
螺杆端斷裂件的開裂起始區，首先形成於螺牙底槽部位，然後向螺杆中心部位及縱向繼續擴展至最終斷裂（見圖9a～9b）。螺杆端斷裂件斷口呈圓錐形凹槽，斷裂終斷區位於螺杆心部，終斷區的斷口剖面呈現大小不等的凹坑，這些凹坑對應於六角凸緣端斷口終斷區的韌窩特徵形貌（見圖9c～9d）。
（a）斷口起始區（25×） （b）斷口起始區（25×）
（c）斷口終斷區（25×） （d）斷口終斷區（100×）
圖9 螺杆端斷口形貌
為了準確測量螺栓斷裂件的表面脫碳層，在螺栓光杆部位徑向截取試樣進行檢測。金相顯微鏡檢測，螺栓光杆部位的表層存在較深的白亮色脫碳層（見圖10a～10b），依據國家標準GB/T224—2008《鋼的脫碳層深度測定法》進行測定，表面脫碳層深度達0.11mm。在調質處理過程中，熱處理爐內保護氣氛不規範，零件因高溫氧化脫碳造成較嚴重的表面脫碳層，特別是外表層全脫碳部位幾乎全為鐵素體組織。由於表面脫碳層內的碳含量降低，造成表面強度降低。採用Q10M數顯維氏硬度計，對螺栓外表層全脫碳區域進行硬度測試，實測硬度值為85HV0.2，依據國家標準GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》進行換算，對應的抗拉強度值約為270MPa。螺栓規範要求的硬度值為22～32HRC，依據國家標準GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》進行換算，對應的抗拉強度值為813～1039MPa。因而可以推斷，表面脫碳層的抗拉強度只有螺栓材料抗拉強度的1/3～1/4。該表面脫碳層缺陷組織顯著降低，材料表面強度，這是造成螺栓斷裂的主要原因。
（a）表面脫碳層（100×） （b）表面脫碳層（500×）
圖10表面脫碳層
六角凸緣部位以及螺栓杆部的基體顯微組織，都為細針狀馬氏體位向的回火索氏體＋少量鐵素體（見圖11a～11b）。依據國家標準GB/T13320—2007《鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》第三評級圖進行評定，調質處理的顯微組織評定為2級，標準要求1～4級合格，該顯微組織屬於合格級別。
（a）凸緣顯微組織（500×） （b）螺杆顯微組織（500×）
圖11 螺栓顯微組織
（5）金相試樣掃描電鏡測試
對金相組織進行掃描電鏡檢測，在螺杆螺牙表面覆蓋一層深灰色鍍鋅層（見圖12a）。掃描電鏡倍率進一步放大，表面鍍鋅層顯示層狀分布的多層結晶體，表面鍍鋅層與螺牙表面基體連接的過渡層結合良好（見圖12b）。經測量，該處表面鍍鋅層深度為9.36μm。
（a）表面鍍鋅層（150×） （b）表面鍍鋅層（2000×）
圖12 表面鍍鋅層
螺杆螺牙凹槽表面同樣覆蓋一層鍍鋅層，表面鍍鋅層底部的螺牙凹槽表面存在多條摺疊裂紋（見圖13a）。掃描電鏡倍率進一步放大，摺疊裂紋間隙兩側由若干個圓弧狀凹坑構成，表明酸洗過程中的表面腐蝕較為嚴重。由於凹槽部位表面鍍鋅層沉積更為突出，實測表面鍍鋅層深度達10.76μm（見圖13b）。
（a）表面摺疊裂紋（1000×） （b）裂紋間隙凹坑（5000×）
圖13 螺牙底槽形貌
經掃描電鏡檢測，六角凸緣部位及螺栓杆部的顯微組織，都為細針狀馬氏體位向的回火索氏體＋少量未溶鐵素體。回火索氏體由顆粒狀碳化物構成的針狀及條狀組織，未溶鐵素體晶粒內只有極少量的顆粒狀碳化物（見圖14a～14b）。檢測結果顯示，螺栓基體顯微組織正常。
（a）凸緣顯微組織（5000×） （b）螺杆顯微組織（5000×）
圖14 螺栓顯微組織
（6）金相試樣微區能譜測試
對螺杆螺牙部位的表面鍍鋅層及基體組織進行微區能譜測試，測試區如圖所示，譜圖1區為表面鍍鋅層（見圖15a），譜圖2區為基體組織（見圖15b）。能譜測試結果表明，譜圖1區域的表面鍍鋅層含有Zn、Mg、Fe等合金元素，其中Zn含量達92.47％，能譜測試結果顯示，螺牙表層屬於含有少量Mg、Fe合金的表面鍍鋅層（見圖15c）。譜圖2區域的基體組織含有C、Mn、Fe等合金元素，成分顯示與45K冷鐓鋼材料相符（見表3）。由於試樣測試面經過硝酸酒精浸蝕，表面殘留較多的C元素，因而能譜測試結果含碳量偏高（見圖15d）。
（a）能譜測試1區域（2000×）（b）能譜測試2區域（2000×）
（c）1區域能譜測試結果 （d）2區域能譜測試結果
圖15 微區能譜測試
表3 失效件樣品微區能譜測試結果（質量分數） （%）
綜上所述，六角凸緣端斷口為圓錐形凸起，螺杆端斷口為圓錐形凹槽。對六角凸緣端圓錐凸起斷口進行檢測，在螺牙底槽部位存在多條周向開裂的裂紋。裂紋呈多條平行條紋，表明材料表面強度極低，同時裂紋處的多源臺階顯示應力開裂特徵。經測量螺牙底槽R角半徑為0.18mm，螺牙底槽R角半徑越小，應力集中越大。該處存在應力集中現象，而且材料表面強度低。螺牙底槽部位存在多源臺階的裂紋源開裂特徵形貌，由此推斷該部位屬於斷口的斷裂起始區。
螺牙側面明顯可見不同形態的表面裂紋，無論是彎曲裂紋還是分叉裂紋，裂紋的尾部都呈圓鈍狀，顯示擠壓變形的摺疊裂紋特徵，有些螺牙側面及底槽都存在表面摺疊裂紋。在表面摺疊裂紋的開口處存在圓弧狀的凹坑，這是表面腐蝕的特徵形貌，表明在鍍鋅處理之前，螺栓零件經過酸洗處理，且酸洗處理時間較長，已經在表面形成較深的腐蝕凹坑。在螺牙底槽部位存在鍥形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基體呈現嚴重變形的纖維狀組織。由於搓絲加工產生的拉向應力已經大於材料的抗拉強度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑。
螺栓表面存在較嚴重的表面脫碳層，調質處理過程中熱處理爐內保護氣氛不規範，因高溫氧化脫碳造成螺栓零件表面形成較嚴重的脫碳層，經測量表面脫碳層深度達0.11mm。該表面脫碳層缺陷組織顯著降低材料的表面強度，這是造成螺栓斷裂的主要原因。
結論及改進建議
該六角凸緣螺栓斷裂的主要原因，是由於調質處理過程中熱處理爐內保護氣氛不規範，零件因高溫氧化脫碳造成較嚴重的表面脫碳層，顯著降低了材料的表面強度。螺栓裝配過程中形成拉向應力，在應力集中最大的螺牙底槽產生多條平行裂紋。開裂首先形成於螺牙底槽部位，然後向螺杆心部及縱向繼續擴展至最終斷裂。
冷鐓及搓絲過程形成的摺疊裂紋及撕裂凹坑，以及酸洗過程產生的腐蝕凹坑，顯著降低了螺栓的加工及使用性能。特別是螺牙底槽部位的摺疊裂紋、撕裂凹坑及腐蝕凹坑，加速螺栓的斷裂進程。
螺栓在冷鐓加工以及搓絲加工過程中，應保證材料的冷加工塑性變形能力，同時控制好一次變形量和變形速率。零件在調質處理過程中，必須嚴格執行熱加工工藝，防止零件表面氧化脫碳，增加材料表面強度及使用性能。在鍍鋅處理之前的酸洗過程中，必須控制好酸洗液濃度及酸洗時間，進一步降低零件表面的腐蝕程度。
基金項目：廣東省東莞市產學研合作項目（201550910500294）
End
來源：熱處理生態圈（ID：heat-news），授權轉載
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