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摘要：飛輪高強度螺栓在安裝時斷裂，斷口通過宏觀、電鏡掃描、能譜分析等均未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，隨后進行微觀檢驗方法發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂磨面有裂紋存在。故對裂紋來源進行了探究，結(jié)果表明斷裂螺栓磨面裂紋來源于在線切割制樣過程中運絲速度過快、冷卻液冷卻不充分、從而受熱導致裂紋產(chǎn)生。為避免以后裂紋的再次出現(xiàn)，建議將線切割機切割頻率參數(shù)調(diào)至合適的頻率、使用水基切削液、深磨試樣等方法。

關(guān)鍵詞：飛輪；高強度；線切割；深磨試樣  

某公司是生產(chǎn)飛輪高強度螺栓的專業(yè)廠家，在安裝過程中出現(xiàn)規(guī)格為M10×1.25×28螺栓螺紋桿部發(fā)生斷裂現(xiàn)象。該斷裂螺栓材料為SCM440，機械性能等級為10.9級，硬度為39.0HRC-44.0HRC。該斷裂螺栓宏觀形貌見圖1。樣品螺栓在安裝時從螺紋桿部斷裂，扭力矩為91N·m。為查清螺栓斷裂磨面的原因，防止類似事件的發(fā)生，對斷裂螺栓進行了電鏡掃描，能譜及理化檢驗分析。

圖1  宏觀形貌及斷裂部位

1 理化檢驗

1.1宏觀檢驗

該螺栓斷裂于螺紋桿部，其斷口宏觀形貌見圖1。螺栓斷口垂直于軸線，整個斷口宏觀上可分為三個區(qū)：①斷裂源區(qū)，處于斷口的邊緣，螺紋根部。②放射區(qū)，為快速的斷裂區(qū)，呈現(xiàn)明顯的放射狀條紋特征，放射區(qū)面積較大，占斷口總面積的60%～70%。瞬間斷裂區(qū)，處于斷口的中心偏左，并與斷裂源呈45°角，這些特征表明該螺栓斷口為典型的在扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生的混合型斷裂，以脆性斷裂為主。

1.2  斷口分析

運用EVO18掃描電子顯微鏡對螺栓斷口進行微觀形貌觀察和分析，電鏡下觀察斷口為撕裂準解理和韌窩狀塑性混合性斷裂（見圖2、3）。

1.3  化學成分分析

運用MAXxLMM05直讀光譜分析儀進行化學成分分析，按（GB/T4336-2016 碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法），結(jié)果見表1，可知螺栓的化學成分滿足協(xié)議SCM440的技術(shù)要求。

表1化學成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）%

1.4金相檢驗

對斷口進行縱向線切割，磨制、拋光后，制成金相試樣在光學顯微鏡下觀察，根據(jù)GB/T10561-2005/ISO4967:1998(E)實際檢驗A法，使用ISO評級圖評定，對鋼中非金屬夾雜物進行評級，斷裂螺栓的夾雜物級別為：硫化物類級別：0.5級（細系）,氧化鋁類級別：0.5級（細系）,硅酸鹽類級別：0.5級（細系）,球狀氧化物類級別：1.0級（細系）。用體積分數(shù)為4%的HNO₃ 酒精溶液侵蝕后，用光學顯微鏡、掃描電鏡及能譜儀分析斷裂螺栓的顯微組織。在光學顯微鏡下觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常的細小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；組織中存在數(shù)條疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象，沿晶分布，（見圖4、5）。用掃描電鏡及能譜儀對疑似裂紋痕跡區(qū)域進行分析，痕跡區(qū)域成分主要為Fe、Cr、Mn元素，為基體組織內(nèi)部正常元素，非外界物或者非金屬夾雜物質(zhì)（見圖6、7、8、9、10、11和表2、表3）。

表2  能譜分析元素重量百分比表3  能譜分析元素重量百分比

將其掃描過分析的試樣磨面進行一次粗拋光和一次精拋光，試樣磨面的疑似裂紋均已經(jīng)不存在（見圖12、13）。

1.5硬度測試

用HR-150A洛氏硬度計對螺栓斷口橫截面，從螺栓表面至芯部進行硬度測試，其結(jié)果（見表4），結(jié)果顯示硬度較均勻，表面硬度在35.9HRC～37.3HRC范圍，平均值為 36.5HRC，芯部硬度為36.3HRC～38.3HRC,平均值為37.1HRC。

表4硬度測試結(jié)果

2  尋找裂紋來源

為探究斷裂螺栓磨面疑似裂紋來源，將裝機完好的螺栓抽取5件反復從人、機、料、法、環(huán)多方面進行分析驗證，具體驗證分析如下：

2.1 相同設備、相同人員、相同環(huán)境、不同方法下驗證

對1#螺栓采用原有線切割機進行縱向切割，原有人員進行金相制樣，改變磨樣方法，分四次逐層由表至里進行磨樣，拋光后用體積分數(shù)為4%的HNO₃酒精溶液侵蝕后，用光學顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；前三次磨樣都存在數(shù)條疑似網(wǎng)狀裂紋形態(tài)現(xiàn)象，沿晶分布。第四次未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象，見圖14、15、16、17。

2.2 相同設備、不同人員、相同環(huán)境、不同方法下驗證

對2#螺栓采用原有線切割機進行縱向切割，不同人員進行金相制樣，改變磨樣方法，分四次逐層由表至里進行磨樣，拋光后用體積分數(shù)為4%的HNO₃酒精溶液侵蝕后，用光學顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；同樣前三次磨樣仍存在數(shù)條疑似網(wǎng)狀裂紋形態(tài)現(xiàn)象，沿晶分布。第四次未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象，見圖18、19、20、21。

2.3 不同設備、相同人員、不同環(huán)境、相同方法下驗證

對3#螺栓采用不同實驗室線切割機進行縱向切割，由原有人員分兩次逐層由表至里進行磨樣，拋光后用體積分數(shù)為4%的HNO₃酒精溶液侵蝕后，用光學顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象。見圖22、23。

通過對1#、2#、3#螺栓采用以上方法進行反復驗證后，發(fā)現(xiàn)不同線切割機之間切割頻率參數(shù)設置不一致、使用的冷卻液不一致。繼續(xù)對4#和5#螺栓進行驗證。

2.4 相同設備、相同人員、相同環(huán)境、相同方法下驗證

對4#螺栓采用原有線切割機設備，將切割頻率調(diào)至25Hz，更換冷卻液后進行縱向切割，原有人員進行金相制樣，分兩次逐層由表至里進行磨樣，拋光用經(jīng)體積分數(shù)為4%的HNO₃酒精溶液侵蝕后，用光學顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象。見圖24、25。

2.5 相同設備、不同人員、相同環(huán)境、相同方法下驗證

對5#螺栓采用原有線切割機設備，將切割頻率調(diào)至25Hz，更換冷卻液后進行縱向切割，不同人員進行金相制樣，分兩次逐層由表至里進行磨樣，拋光后用體積分數(shù)為4%的HNO₃酒精溶液侵蝕后，用光學顯微鏡分析螺栓的顯微組織，觀察螺栓表層及芯部顯微組織均為正常細小、均勻的仍保留針狀馬氏體形態(tài)特征的回火索氏體組織；未見疑似裂紋形態(tài)現(xiàn)象。見圖26、27。

3 綜合分析及結(jié)論

（1）由于斷裂螺栓失效后，在做失效分析過程中發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂面存在網(wǎng)狀疑似裂紋痕跡，能譜分析疑似裂紋痕跡區(qū)域成分為基體本身材質(zhì)成分，非外來物質(zhì)或者原材料本身的非金屬夾雜物。

（2）為探究斷裂螺栓磨面疑似裂紋來源，將裝機完好的螺栓抽取5件反復從人、機、料、法、環(huán)多方面進行分析驗證，樣品拋光腐蝕后疑似裂紋痕跡出現(xiàn)可有可無現(xiàn)象。由此可見，通過不同人員，不同設備，不同的制樣方法，不同的切削液反復驗證，總結(jié)得出，線切割機在切割時頻率過快，切削液不能快速冷卻，導致螺栓切面受熱，改變了組織，出現(xiàn)了表面微裂紋現(xiàn)象。

（3）為避免此類現(xiàn)象發(fā)生，建議將線切割機切割頻率參數(shù)調(diào)至合適的頻率、使用水基切削液、深磨試樣等方法。

參考文獻

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