緊固件材料折疊缺陷導(dǎo)致開(kāi)裂失效的經(jīng)典案例

2021-11-03

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緊固件材料折疊缺陷導(dǎo)致開(kāi)裂失效的經(jīng)典案例

什么是緊固件材料折疊缺陷?

這里的折疊指的是在金屬變形流動(dòng)過(guò)程中,由已氧化過(guò)的金屬匯合在一起而形成的,往往出現(xiàn)在金屬鍛件、軋件的表面上。常見(jiàn)形狀是存在于軋件一側(cè)的貫穿材料全長(zhǎng)的折疊;在軋件兩邊相對(duì)稱(chēng)的側(cè)面上貫穿全長(zhǎng)的折疊;或存在于鍛軋件全長(zhǎng)上的、斷續(xù)的、分散折疊等。

折疊對(duì)于緊固件來(lái)說(shuō)是一種內(nèi)患,它縮小了零件的承載面積,而且工作時(shí)此處產(chǎn)生應(yīng)力集中,常常成為裂紋源或疲勞源口。

下面從30CrMnSiA六角自鎖螺母、1Crl8Ni9Ti螺柱、GH4169螺栓、TAl鉚釘4種材料零件折疊缺陷導(dǎo)致的緊固件失效的案例中來(lái)分析折疊對(duì)緊固件的危害。

1、30CrMnSiA六角自鎖螺母開(kāi)裂分析

30CrMnSiA為一種中高強(qiáng)度特種調(diào)質(zhì)鋼,淬火高溫回火狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和足夠的韌性,同時(shí)具有良好的加工性能,加工變形微小,抗疲勞性能好,因此30CrMnSiA被認(rèn)為是航空航天工業(yè)領(lǐng)域中廣泛用來(lái)制造重要螺栓的材料之一。并且30CrMnSiA作為緊固件使用時(shí),表面鍍鋅、鍍鎘是其防止大氣腐蝕的主要防護(hù)手段。

本案例中30CrMnSiA六角白鎖螺母規(guī)格為M5,生產(chǎn)流程為:六角料-車(chē)工-鉗工-沖壓-熱處理(淬火+高溫回火)-表面處理鍍鎘。表面處理后發(fā)現(xiàn)10165件中有10件存在開(kāi)裂現(xiàn)象。裂紋沿縱向分布,且在壁厚方向裂透。螺母斷面內(nèi)外壁邊緣與螺母表面鍍鎘層顏色一致,如圖1所示,能譜分析主要含有鎘元素,與正常表面鍍層成分一致,斷面中心發(fā)黑氧化嚴(yán)重,由此可見(jiàn),在表面處理之前螺母已經(jīng)開(kāi)裂。

圖1 六角自鎖螺母裂紋及打開(kāi)斷口宏觀(guān)形貌

螺母橫截面金相檢查可見(jiàn)裂紋耦合性差,除開(kāi)裂的主裂紋外還存在其他線(xiàn)性缺陷,且主裂紋和線(xiàn)性缺陷兩側(cè)存在明顯脫碳現(xiàn)象,縫隙內(nèi)有高溫氧化物,裂紋兩側(cè)存在著部分脫碳鐵素體組織,且該處晶粒較為粗大,如圖2、圖3所示,這些是含碳鋼原材料折疊缺陷的典型特征。

圖2 裂紋橫截面宏觀(guān)形貌

圖3 主裂紋及其附近的線(xiàn)性缺陷形貌

因?yàn)橐话阏郫B缺陷是兩側(cè)金屬原始表面被擠壓進(jìn)入基體內(nèi)部形成的,在熱處理過(guò)程中氧通過(guò)折疊裂紋向基體內(nèi)部傳遞、擴(kuò)散從而導(dǎo)致高溫氧化及脫碳口。而螺母正常位置為回火索氏體組織,如圖4所示,并且斷面中心發(fā)黑區(qū)域未見(jiàn)沿晶形貌,綜上認(rèn)為,六角自鎖螺母裂紋起源為原材料,此缺陷在六角自鎖螺母后續(xù)沖壓過(guò)程中擴(kuò)展開(kāi)裂。

圖4 螺母正常位置組織

2、1Crl8Ni9Ti螺柱線(xiàn)性缺陷分析

緊固件行業(yè)一般只使用奧氏體型不銹鋼和馬氏體型不銹鋼,1Crl8Ni9Ti為奧氏體型不銹鋼,耐蝕性比馬氏體型不銹鋼好,組織穩(wěn)定,不可熱處理強(qiáng)化,主要用于耐蝕性要求較高或要求無(wú)磁性的非承力件。

本案例中1Crl8Ni9Ti螺柱規(guī)格為西10 mm×35 mm,其生產(chǎn)工藝流程為:棒料(西10 mm)-車(chē)工-磨工-滾絲-清洗-表面處理-試驗(yàn)-成檢。

在滾絲過(guò)程中發(fā)現(xiàn)表面存在裂紋,隨后檢查未滾絲的也有個(gè)別存在表面裂紋,裂紋均沿螺柱縱向分布,且貫穿整個(gè)螺柱長(zhǎng)度方向,如圖5所示。螺柱橫截面金相觀(guān)察表明,裂紋由外圓表面切線(xiàn)呈300角向螺柱內(nèi)部延伸,裂紋尖端比較圓鈍,且中間存在樹(shù)根狀分支,如圖6所示,為典型折疊缺陷形貌。腐蝕后觀(guān)察可見(jiàn),裂紋附近及尖端存在異常條帶組織,能譜分析表明,該處含有較高的鉻元素,如圖7所示,而螺柱正常位置主元素與1 Crl 8N i9Ti牌號(hào)相符,組織為正常的孿晶組織,如圖8所示,綜上認(rèn)為,螺柱開(kāi)裂處為原材料的折疊缺陷,并伴隨著原材料鉻偏析。這種鉻元素偏析問(wèn)題往往是原材料熔煉不均勻或不純凈導(dǎo)致,且易在鋼錠表面出現(xiàn),后續(xù)工序使表面金屬向基體內(nèi)部折疊,最終遺傳到產(chǎn)品上。

圖5 螺柱及其裂紋宏觀(guān)形貌

圖6 裂紋橫截面宏觀(guān)形貌

圖7 異常條帶形貌及能譜成分

圖8 螺柱正常位置組織

3、GH4169六角螺栓頭部線(xiàn)性缺陷分析

用于生產(chǎn)緊固件的高溫合金均為變形高溫合金,以鎳基、鐵基材料為主,高溫合金緊固件通常用于發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫服役的環(huán)境中,GH4169在一253~700℃具有良好的綜合性能,并且具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能和強(qiáng)韌性配合,能夠承受各種復(fù)雜應(yīng)力條件而不發(fā)生失效。

本案例中GH4169普通螺紋六角螺栓規(guī)格為M6×42,生產(chǎn)工藝流程為:≯6.5 mm圓棒-車(chē)工-磨工-熱鐓-噴砂-熱處理-車(chē)工-鉗工-熱處理-噴砂-鉗工斗滾絲-熒光檢測(cè)-表面處理-成檢。其六角頭部發(fā)現(xiàn)縱向線(xiàn)性缺陷,徑向深度較淺,如圖9所示。金相檢查螺栓頭部橫截面可見(jiàn)線(xiàn)性缺陷,底部尖端圓鈍,深度約為0.17 mm。其螺栓頭部顯微組織可見(jiàn)表面區(qū)域組織粗大,晶粒度為5級(jí);芯部細(xì)小,晶粒度為10級(jí),均符合材料標(biāo)準(zhǔn)GJB713--1989。缺陷處放大觀(guān)察,可見(jiàn)缺陷底部組織存在明顯的流線(xiàn)擠壓痕跡,具體形貌如圖10所示,這應(yīng)與原材料的熱軋或后續(xù)的熱鐓成型有關(guān),原材料在熱軋或熱鐓成型過(guò)程中受力不均造成金屬流線(xiàn)偏離軸線(xiàn)形成變形不對(duì)稱(chēng),造成兩個(gè)相反方向的變形交界處形成明顯的折疊裂紋。

圖9 GH4169螺栓頭部裂紋宏觀(guān)形貌

圖10 螺栓頭部裂紋橫截面形貌

4、 TAl鉚釘表面線(xiàn)性缺陷分析

鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)異的綜合性能,在常溫下為密排六方的α相,在883℃時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,變?yōu)轶w心立方的β相,目前各種類(lèi)型的鈦合金在緊固件上都有應(yīng)用,其中純鈦主要用于制造各類(lèi)鉚釘、墊圈等。

本案例中TAl純鈦鉚釘規(guī)格為Φ3.5 mm×8 mm,其生產(chǎn)工藝流程為:棒料潤(rùn)滑-冷鐓-普車(chē)-清洗-退火-藍(lán)色陽(yáng)極化-成檢,1 000件成品中發(fā)現(xiàn)3件開(kāi)裂。鉚釘外壁裂紋沿軸向分布,貫穿整個(gè)鉚釘長(zhǎng)度方向,如圖11所示;裂紋由基體表面呈450角以穿晶方式向內(nèi)部延伸,且缺陷尖端圓鈍,如圖12所示,能譜分析表明,鉚釘裂紋兩側(cè)壁均發(fā)現(xiàn)有鈦的氧化物存在,如圖13所示,而基體組織為正常單相Ⅱ組織。由生產(chǎn)車(chē)間知悉鉚釘光桿部分為原材料絲材原始表面,可見(jiàn)鉚釘表面裂紋為原材料表面折疊缺陷所致。