鱼尾螺栓开裂了，问题究竟出在哪？

　　一批Φ21.66的线材，材料牌号为20MnTiB，生产规格M24的10.9级鱼尾螺栓，生产过程中发现产品开裂现象。经过一系列检测分析，不但在原材料发现材料偏析及发纹，而且，在系列检测分析中，说明了热处理后产品裂纹扩展、延伸了，同时开裂产品比例增加了；究其原因，除了原材料本身原因外，还与热处理工艺密切有关。

　　鱼尾螺栓生产现状

　　1、产品的技术条件：采用直径Φ16.88mm线材，采用冷镦成形方法、生产M24的10.9级鱼尾螺栓。

　　2、生产工艺：在材料冷镦成形后，毛坯进行滚丝，成品后发往热处理公司进行表面渗碳淬火。

　　3、在热处理后进行检查，发现产品开裂严重（如图一红框中的裂纹）；图一左的裂纹由头部扩展发展到颈部，贯穿整个头部；图一右，在裂纹在杆颈连接处一直延伸到杆部位置，裂纹总长度达到3CM以上，在头部下方螺纹呈现任意的、弯曲的弧线状态；图一右，裂纹比原材料开裂长度增加了。


　　线材状况

　　鱼尾螺栓开裂现象，严重影响了公司产品的质量、企业的信誉，必须追根溯源，找出断裂的根本原因。根据质保部门生产统计数据反映：在冷镦工序中后的半产品中，发现裂纹比例为5%—6%，进行挑选材后，在热处理产品后又发现了部分产品开裂，二部分产品裂纹的总数超过产品总数的10%，引起企业高度关注。

      首先检查生产第一线线材生产的实际状况，作为发现和判断裂纹产生根源的的第一依据。在车间现场分析有部分材料存在裂纹（见图二）。

　　一、线材状况
 
     
　　从线材的实际状况来看，线材表面存在明显的裂纹，这些裂纹形态属于微小的裂纹——发纹类型，从图二左来看发纹长度、深度不一；图二左，裂纹十分明显，有一定的深度，发纹的长度达到5CM，图二右，发纹比较浅，长度也比较短，但是长度也达到了2CM左右，这些裂纹的出现，严重影响产品的质量。大小不一，深浅不同的裂纹在产品截料中发现存在的数量不少，根据质量部统计，产生裂纹毛坯达到总量的5%以上的比例。从上面图二没有经过冷镦截料中可见，这些裂纹是原材料中产生的。
 
　　二、检测状况：
     
　　为了进一步检查原因，分析裂纹的情况，我们对材料、半成品、热处理后产品进行了各项检测。

　　1、硬度检测：

　　（1）原材料硬度：

      原材料硬度在HRB85.6—HRB88.7范围，平均值为HRB87.1；根据原材料技术要求、硬度控制在≦HRB90范围内，虽然材料硬度偏高，造成冷镦变形难度增加，但是在要求范围内，达到技术要求。

　　（2）热处理后硬度：

　　热处理后螺栓的硬度，无论是断裂螺栓，还是正常螺栓的硬度在HRC33— HRC36.9范围，符合10.9级高强度螺栓HRC32—HRC39的技术要求，硬度是性能的表象，必须进一步分析。

　　2、化学成分分析：


　　3、裂纹检测：

     
　　对有裂纹的原材料进行了金相制样检测，图三左、断裂原材料裂纹（开口宽度：41.47μm，开口深度：25.73μm）；图三右、断裂原材料裂纹（开口：37.27μm，深度：44.52μm），裂纹的宽度、深度各不相同；但是这些原材料的裂纹，对冷镦成形会增加扩大裂纹的可能性，会影响产品质量，并且增加了热处理难度和裂纹扩展的风险。

　　4、退火组织：
　
　　20MnTiB材料进入公司的状态是退火状态，我们把材料制成金相试样，观察其组织情况（见图四）。
　　根据退火组织的金相图片判定，组织状态是珠光体＋铁素体，大部分区域组织分布比较均匀，没有超过常态、大块的铁素体集中出现的状态，总体来说，金相组织属于合格、可以接受的组织形态；但是部分区域（金相图片中的黑色圆圈圈内部分），存在碳化物比较集中的偏析现象，如果这些碳化物组织集中在产品表面，碳化物会一定程度影响到产品的变形，变形比较大的区域，容易产生开裂现象，这也是形成裂纹的原因之一，必须引起重视。

　　5、调质组织检测：

     
　　根据国家标准，GB/T13320《钢质模锻件金相组织评级图》的评级标准，间隙组织是：回火索氏体+铁素体，组织形态比较细小，评为调质组织2级，属于正常合格的金相组织。其中左图是开裂产品的组织金相图片，组织比右图的正常螺栓的金相组织略微差一些，右面正常螺栓的金相组织分布更为均匀一些，组织结构更加优良。

　　6、热处理后裂纹的状况：


　　热处理过程中由于产生加热、冷却的工序，热应力、组织应力大幅度地增加，增加了产品开裂的风险，尤其是材料中的裂纹会有所扩展，甚至会产生断裂，无论是产品的开裂，还是螺栓断裂，是不允许存在的。图六的裂纹口是经过热处理后的状况，热处理后的裂纹比材料中裂纹扩大了，裂纹的开口宽度：129.51μm，是原始裂纹宽度41.47μm的3倍多；裂纹的深度达到：109.47μm，是原始裂纹深度25.73μm的4倍左右。而且在缺口的下端，在原有的裂口下方又出现新的裂缝，是热处理后引起的螺纹扩展的佐证；热处理后的螺纹，与起始裂纹相比，无论是长度、宽度、形态，都产生了比较大的变化，这些变化是热处理后由于热应力产生的热应变，促使裂纹扩展、成长，这与热处理工艺选择不当，有重大的关联。

　　裂纹产生原因分析

　　1、初始裂纹：

　　材料存在初始裂纹，从图二宏观照片中可以看出，无论是左图还是右图，都发现了原材料有裂纹，裂纹大小、深浅各不相同（图三金相裂纹照片），都呈现直纹形态。

　　2、经过测试，材料硬度在要求范围、材料化学成分达到技术标准、材料的调质量组织、退火组织均达到标准要求。

　　3、裂纹扩展：

　　初始裂纹在热处理过程中得到扩展（图六）；从图一可以看到头部法兰圈表面是直纹，是原始螺纹的形状，下面颈部裂纹形状开始变化，是不规则的裂纹，裂纹形状是不规则的弧线，螺纹的长度增加、一直开裂至螺栓的杆部。由此可见，裂纹是原始裂开的发纹开始不断地成长发展，热处理后形成头部到杆部的比较长的裂纹，裂纹的长度宽度与原始发纹相比，在不断地增加、扩展。

　　4、渗碳热处理工艺不当：

　　20MnTiB材料生产10.9级高强度螺栓要进行渗碳淬火。但是在渗碳淬火过程中，由于工艺产生选择或者安排不当引起调质的质量不到位，继而引起开裂。

　　1）、渗碳工艺不当：从下面图八可以看出：渗碳层的厚度不均匀，有些区域渗碳层深，有些区域渗碳层浅；在图片中不足150μm的表面范围内，图八左上的渗碳层为：70.91μm，而紧贴在下面部位的渗碳层却达到了106.70μm，可见渗层极不均匀，这是渗碳工艺参数值选择不当的原因产生的。

　　2）、淬火应力大：图七中鱼尾螺栓头部产生开裂，裂纹的形态是：不规则的弧线，弧线是任意、无规律形态的，形状与紧固件表面缺陷、螺栓淬火裂纹叙述类同（详见GB/T5779标准）。

　　3）、渗层不均匀，反映在渗碳过程中，以提高温度来代替渗碳时间，产生渗层有厚有薄不均匀，增加了内部的热应力；同时渗碳后，预冷时间、预冷温度不到位的情况下，进行淬火，这样由热应力→热应变→开裂，产生不规则的裂纹弧线，这是热处理工艺参数选择不当产生的，是产生淬火裂纹的主要原因。
     
　　裂纹总是萌生于材料中最薄弱环节，在螺栓表面或缺陷容易产生裂纹。在材料内部中的夹杂物、偏析或第二相颗粒容易在缺陷处堆集，导致应力集中，有可能发展、转变成为应变，这样导致裂纹的萌生。一旦裂纹产生，它会在各种工艺加工中不断地发展、扩大。如果紧固件热处理调质工艺得当，能够改善显微组织；反之，热处理调质不当，会促使微小缺陷不断地发展。



　　结论：

　　鱼尾螺栓的开裂有两个方面的原因：
    
　　内因：原材料的材偏析、发纹，是裂纹产生的首要原因；外因：渗碳热处理工艺不到位、是增加裂纹的推手。

　　本文作者：金蜘蛛紧固件网顾问专家阎振中、上海底特精密紧固件有限公司金相工程师程平质保部长王华伟。

　　2016年7月28日，由资深专家阎振中老师主讲的“合金元素及夹杂物对高强度紧固件的影响”课题将在杭州举行，精彩值得期待！

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　　讲师介绍

 

　　阎振中，本科学历，金属材料及热处理专业，曾任上海市徐汇区金相热处理学会副理事长、上海自行车紧固件公司副总、稳砜风机配件有限公司技术总监等职；从1968年起一直从事紧固件有关方面的工作。在《现代零部件》、《铁道标准设计》、《第七次全国热处理大会》、金蜘蛛《紧固件》等全国性期刊发表三十多篇技术专著及论文。

　　课程亮点

 

　　一．夹杂物形成的机理及危害性：

　　1.夹杂物形成的机理：
　　2．夹杂物危害材料的机理：

　　二、夹杂物的形态分类及的产品的影响：
　　1、叙述夹杂物五个不同的类型
　　2、夹杂物超标引起的危害（采用夹杂物在产品中的金相图片说明）。
　　3、.材料夹杂物及缺陷对高强度紧固件的危害，分别采用工作实际中碰到的具体情况及案例说明：
　　（1）案例一：夹杂物偏多导致螺栓检测不合格：
　　（2）案例二：强度达标、其他技术性能不达标的原因：
　　（3）案例三：粗大的夹杂物引起圆螺母的开裂：
　　（4）案例四：六角螺母开裂的原因：
　　
　　三．紧固件材料中各种元素对性能的影响：
　　1、非金属元素在材料中的主要作用：
　　2、常用合金元素的性能的影响

　　四、高强度紧固件几种典型材中合金元素对性能的影响：
　　1、硼钢的发展、应用及其特性：
　　（1）、硼元素的应用及特点:
　　（2）、20MnTiB：元素成分及对紧固件性能(结合实例)
　　（3）、35VB：主要合金元素对性能的影响(结合实例)
　　2、铬钼钢对产品性能影响：
　　（1）、42CrMo材料的性质及各国材料牌号：
　　（2）、 42CrMo、42CrMo（B7）、42CrMoA三种材料的异同点及对性能的影响
　　3、化学元素偏差的紧固件性能的影响：
　　（1）案例五：M27大六角螺栓断裂分析
　　（2）案例六不同牌号42CrMo材料对高强度紧固件性能的影响

　　五、控制原材料保证高强度紧固件的质量的措施

　　课程所能解决的问题

 

　　1、了解夹杂物的各种类型及状态

　　2、夹杂物的高强度紧固件的性能的影响
　　3、各种化学元素的紧固件材料的影响
　　4、合金元素偏差对紧固件的影响与作用
　　5、控制原材料的质量的措施
　　6、理论联系实际，便于大家分析紧固件检测中、使用中遇到的问题

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