螺栓热锻工艺裂纹失效分析

10.9级热镦六方大螺栓，规格分别为M36和M42，材质为ML42CrMo，热浸镀锌。

两个规格的螺栓在成品检查时，发现部分螺栓头下R角处有裂纹，随后采用探伤检查，发现螺栓头下R角处有较多的吸附磁粉的裂纹缺陷。

14.4.1  试验过程与结果

螺栓热锻工艺：始锻温度1150±50℃，终锻温度850±50℃，中频加热约1-2分钟。M36螺栓调质工艺：淬火温度870-875℃，回火温度575℃。M42螺栓调质工艺：淬火温度865℃，回火温度550℃。

对故障件螺栓宏观检查，螺栓头下缺陷用肉眼不好发现，采用磁粉探伤后，发现螺栓头下R角处有吸附磁粉的裂纹缺陷

两个规格的螺栓，宏观形貌见图14-23。

两个规格的螺栓，磁粉探伤后头下R角处吸附磁粉的裂纹缺陷，见图14-24。

图14-23 两个规格螺栓宏观形貌

图14-24 螺栓头下裂纹形貌

对两个规格的螺栓沿头部沿轴线剖开，制样后进行金相组织检查。M36和M42螺栓裂纹外侧的金相组织和裂纹形态基本相同，其裂纹由表及里扩展，但有的裂纹未与表面贯通；螺栓表面有较浅的全脱碳，开口裂纹的开口处也有脱碳,封闭裂纹两侧未发现脱碳，见图14-25、图14-26。

图14-25  M36裂纹外侧金相                 图14-26  M42裂纹外侧金相

两个规格的螺栓（M36和M42）裂纹两侧的金相组织相同，为回火索氏体组织。裂纹主要以沿晶方式扩展，沿晶走势相同，有分支裂纹，见图14-27、图14-28。

图14-27  M36的裂纹及两侧组织          图14-28   M42的裂纹及两侧组织

M36螺栓心部金相组织为回火索氏体和少量铁素体，见图14-29。

M42螺栓心部金相组织为回火索氏体和少量铁素体，见图14-30。

图14-29  M36螺栓心部金相组织          图14-30  M42螺栓心部金相组织

两个规格的螺栓头下圆角及流线检查，

M36螺栓圆角处的纵向剖面上变形流线完整、顺畅，圆角处裂纹垂直流线扩展，尾端尖细，出现裂纹位置的圆角半径约为3mm，大于技术要求的下限（2mm），见图14-31。

M42螺栓圆角处的纵向剖面，可见圆角处变形流线完整、顺畅，圆角处裂纹垂直流线扩展，尾端尖细，出现裂纹位置圆角半径约为2.5mm，接近技术要求的下限（2.5mm），见图14-32。

M36 、M42螺栓头部流线均为横向中心位置偏上，两侧圆角处均有明显小折叠，说明两批螺栓头部镦锻变形不合理。

M36螺栓头部流线，见图14-33；M42螺栓头部流线，见图14-34。

图14-31  M36螺栓圆角处流线与裂纹形态  图14-32  M42螺栓圆角处流线与裂纹形态

图14-33  M36螺栓头部流线形貌            图14-34 M42螺栓头部流线形貌

对两个规格螺栓纵向剖面进行夹杂物检查评定，根据标准《GB/T 10516-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定方法》评定：

M 36螺栓夹杂物DS类（单颗粒球状类）2.5级；D类（球状氧化物）粗系2级，细系2级，见图14-35。

M 42螺栓夹杂物DS类（单颗粒球状类）2级；D类（球状氧化物）粗系1.5级，细系2级，见图 14-36。

图14-35  M36螺栓夹杂物形貌            图14-36   M42螺栓夹杂物形貌

采用直读光谱对螺栓进行化学成分分析，分析结果，M36、 M42螺栓化学成分符合《GB/T 6478-2001》标准对ML42CrMo钢的要求。

螺栓表面硬度梯度及心部硬度试验检测，检测结果螺栓硬度在标准规定范围内，硬度值如下：

M36螺栓心部硬度为355 HV10；

M32螺栓心部硬度为365 HV10。

14.4.2  分析与讨论

该批螺栓的化学成分、金相组织和表心硬度均符合要求，虽然表面有全脱碳，组织中球状氧化物DS类（单颗粒球状类）2级较大，但都不是造成裂纹的原因。

该批螺栓裂纹均位于头下圆角位置，为应力集中部位，裂纹由表及里扩展；裂纹走势刚劲，尾端尖细，有分支裂纹，但有一些裂纹未贯通表面，从表面全脱碳处开始向内扩展，由此可排除淬火裂纹的可能。

螺栓头部流线不沿变形的头部外形分布，说明螺栓头部锻打变形不合理。 螺栓锻打时采用中频加热，加热时间较短，可能会造成加热温度不均匀，使头部变形不能满足变形要求，造成头部流线不合格。

由于螺栓头部锻打工艺过程有问题，头部变形中心不在中心位置，而在变形中心的偏上位置，使螺栓头下圆角处应力集中过大，变形不均匀，锻打时圆角处产生了1～2条应力裂纹，在裂纹附近还有许多细小封闭的裂纹。

由于螺栓表面有全脱碳层较软，把小裂纹封住，肉眼不易看见。探伤时裂纹处吸附磁粉而显示裂纹缺陷。

由于两批螺栓头部锻打工艺不当，造成头部变形不合理，使螺栓头下圆角处应力集中过大，变形不均匀，锻打时圆角处产生应力裂纹，

14.4.3   结论与启示

（1）两批螺栓圆角处的裂纹为锻打应力裂纹。

（2）造成应力裂纹的原因是螺栓头部锻打工艺不当，造成头部变形不合理，使螺栓头下圆角处应力集中过大，变形不均匀，锻打时圆角处产生应力裂纹，

（3）螺栓在探伤时，圆角处的细小裂纹表面吸附磁粉，而显示裂纹缺陷。

（4）大规格螺栓头部成型时要采用合理的锻打工艺，控制加热温度和变形，防止头下圆角处产生应力裂纹。