摘要

對42CrMo超高強度鋼基螺栓的斷裂行為進行了實驗研究，包括宏觀和微觀斷裂觀察、金相測試、力學性能測試和能譜分析。結果表明:錨桿斷裂源區(qū)和基體中存在大量硫化物夾雜、帶狀夾雜和碳虧損等組織缺陷;這些缺陷降低了材料的疲勞強度，容易產生疲勞斷裂源。此外，硫化物夾雜易使裂紋擴展，隨著應力的增加，螺栓的有效橫截面逐漸減小，當應力超過材料斷裂強度時，最終導致螺栓斷裂?；跀嗔咽袚?jù)和疲勞裂紋擴展曲線，探討了斷裂機理。

螺栓斷裂形態(tài)介紹

42CrMo鋼因其超高的強度、韌性、良好的淬透性、不明顯的回火脆性、淬火回火后較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力而被廣泛應用于鍛件[1-3]。這種鋼基鍛件具有較高的強度和較大的淬火回火截面，在機車牽引用大齒輪、壓力容器后橋、重載連桿、彈簧夾等工程應用中具有廣闊的前景。以及深井鉆桿接頭和2000米水下打撈工具。

然而，故障的發(fā)生是不可避免的，因此，了解故障機理對優(yōu)化設計和規(guī)避行動具有重要作用。本研究采用宏觀觀察和微觀觀察相結合的方法，分析了螺栓斷裂源區(qū)和基體的力學行為和金相組織。此外，通過引入斷裂失效判據(jù)[4,5]，從理論上探討了裂紋擴展的起始和方向分析，提供了一種預測方法，有助于工程應用。

該螺栓為風力發(fā)電機的緊固螺栓，規(guī)格型號為M30 × 435。制造過程如下:原料?壓裂材料?鍛壓毛坯?毛坯?熱處理?縱向力學性能試驗?探傷?精加工?成品。螺栓安裝使用時，客戶在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂。

2. 測試過程及結果

2．1． 裂縫宏觀觀察

螺栓斷裂發(fā)生在靠近螺栓端部33mm處，如圖1所示。螺栓的斷口在螺紋根部。其形態(tài)如圖2所示。在宏觀觀察下，斷口上可以看到明顯的疲勞特征。斷裂起源于螺栓的外表面。半橢圓形狀的疲勞起始區(qū)相對光滑。在延伸區(qū)域可以觀察到清晰的疲勞線。擴展區(qū)域覆蓋了大部分裂縫，瞬時裂縫面積相對較小，形態(tài)如圖3所示。螺栓斷口表面磨損嚴重，表現(xiàn)出不同程度的腐蝕。無法觀察到斷裂形態(tài)。從斷裂形態(tài)來看，瞬時斷裂區(qū)域接近邊緣，表明螺栓過載程度較低。當螺栓為超載斷裂時，纖維區(qū)是斷裂源的位置，且呈環(huán)形脊狀的纖維區(qū)總是位于火山最內層，而不是邊緣。

圖1錨桿斷裂宏觀形貌。

圖2螺栓斷裂位置的形態(tài)。

圖3螺栓斷裂形態(tài)。

2．3. 螺栓基體的金相檢驗

對螺栓基體進行了非金屬夾雜物、顯微組織和晶粒尺寸測試。金相檢驗結果如表2所示。組織形貌如圖4所示，晶粒尺寸如圖5所示。

圖4螺栓基體金相組織。

圖5螺栓基體晶粒尺寸。

如表2所示，該螺栓的非金屬夾雜物、顯微組織、晶粒尺寸試驗結果均未見明顯異常。

斷口存在嚴重的劃傷和銹蝕，斷口形貌觀察不清楚。然而，在斷裂起始區(qū)觀察到大量的孔洞(圖6)。延伸

區(qū)分布較不明顯的疲勞條紋，其形貌如圖7所示。放大觀察，斷口相對平坦，斷口上分布著大量次生裂紋

，形貌如圖8所示。通過對金相試樣裂紋中灰色產物的半定量能譜分析，裂紋主要含有Os、Cr、Mn、Fe

等元素。參見圖9中的能譜。

圖6 裂縫成因區(qū)微觀形態(tài)。

圖7裂縫延伸區(qū)微觀形貌。

圖8 次生斷裂裂紋的宏觀形貌。

圖9能量譜。

根據(jù)上述電鏡和能譜結果可知，在斷裂源區(qū)域存在大量孔洞缺陷，是導致整個螺栓斷裂的直接原因。疲勞擴展地區(qū)邊緣分布是一種重要的微觀基礎部件的疲勞斷裂,疲勞條紋出現(xiàn)在第二階段的疲勞裂紋擴展,裂紋擴展速率更快,每個應力周期的微米。裂紋口灰色產物為氧化產物，裂紋尾為硫化錳夾雜物。這些結構的存在破壞了材料表面的連續(xù)性，導致在亞表面赫茲區(qū)形成裂紋，特別是脆性氧化物和基體被分離成空洞。腔體邊緣尖銳角處的應力集中超過基體的彈性極限，塑性變形較大，導致材料表面硬化，從而產生裂紋。

2.5。骨折來源的顯微觀察

將螺栓在斷口處縱向切割并打磨。在金相顯微鏡下，可以觀察到許多小裂紋從斷口延伸到基體。最深的裂縫深度為0.10 mm，其形貌如圖10所示。在放大觀察下，裂縫被灰色的產物填充(圖11)。在裂縫成因附近發(fā)現(xiàn)了分布較集中的硫化物錳包裹體(圖12)。在基體中還觀察到許多硫化錳夾雜物。

圖10小裂紋微觀形貌。