12.9级高强度螺杆断裂失效分析 | 40Cr材质热处理缺陷检测报告

【失效分析】螺杆断裂失效

03月,21,2024 | 浏览次数：17604

01.测试背景

2021年1月14日，客户用螺杆装配脚轮10件并库存在仓库，2022年1月24日发现1pc螺杆六角头部断裂，参图1。经追溯，断裂螺杆于2020年11月份生产，客户将断裂螺杆委托实验室进行分析，协助分析断裂原因，解决质量困惑。

图1-组装脚轮断裂螺杆外观

02.样品信息

某12.9级高强度螺杆制程：40Cr冷镦件(外购)→热处理强化→外发镀锌。热处理工艺：850℃保温1小时（碳控0.6），油冷（油温80℃）淬火，350℃回火2小时，硬度要求HRC40~46。

03.测试项目、规范及设备信息

测试项目	测试规范	设备名称	实验条件
SEM形貌观察	GB/T 16594-2008	SEM(HITACHI)& EDS(HORIBA)	加速电压：15KV
EDS成分分析	GB/T 17359-2012	SEM(HITACHI)& EDS(HORIBA)	加速电压：15KV
表面观察	WI-032-048	金相显微镜	/
金相组织	GB/T 13298-15	金相显微镜
材质维氏硬度	GB/T 4340.1-2009	维氏硬度计
常用化学成分	ASTM E1251-17a	火花原子放射光谱仪

04.测试结果

4.1|断口表面观察
断裂试样用酒精清洗后，对其断口及截面形貌进行观察，结果如图2所示：
1.断口试样A及B区域有明显的撕裂棱，A区域存在疑似金属色泽物质，这些区域应是裂纹源位置，断面基本平齐，基本无变形；
2.螺柱外表面未发现明显裂纹。

图2-试样表面形貌图

4.2|断口表面SEM+EDS分析
对断口表面进行SEM+EDS分析，结果如图3~4及表1所示：
1.裂纹源位置存在明显的摩擦痕迹，其成分中含有一些Zn元素，可能是此区域在镀锌之前存在裂纹，镀锌过程中有Zn元素进入基材；
2.扩展区整体呈现冰糖状花样，局部区域有小孔洞，是典型的沿晶脆性断裂特征；
3.瞬断区呈现为冰糖状花样与韧窝特征的韧性与脆性混合断裂特征；
4.试样断裂模式属于脆性断裂模式。

图3-试样表面各区微观断口形貌

图4-EDS分析位置（30×）

表1-EDS分析结果（%）

Spectrum		C	O	Si	Cr	Mn	Fe	Zn	Total
裂纹源	1	7.79	3.22	1.02	1.01	0.63	84.86	1.47	100
	2	6.10	2.79	1.10	0.94	0.40	88.47	0.20	100
	3	5.37	1.33	/	0.90	0.68	91.73	/	100

备注：成分数据为半定量分析结果，仅供参考，所给成分为质量百分比。

4.3|试样切面分析
对断口及正常试样切面进行分析，结果如图5~6及表2所示：
1.裂纹源位置断面几乎平齐，边缘位置有小裂纹，镀层Zn深入基材，同时局部区域含有S元素，可能是酸性镀锌溶液残留，可以推测开裂位置在镀锌之前就存在，这一结果与之前的推测结果一致，同时螺杆上也存在明显的凹坑，螺丝头部位置本身容易应力集中，在裂纹等缺陷的诱发下很容易断裂；
2.正常试样表面未发现裂纹和明显的凹坑等缺陷，仅在局部位置有小凹坑；
3.螺杆表面凹坑缺陷也会影响螺栓使用寿命。

图5-切面形貌图

图6-EDS分析位置（1000×）

表2 EDS分析结果（%）

Spectrum		C	O	S	Fe	Zn	Total
裂纹源	1	8.76	3.48	/	87.76	/	100
	2	6.12	4.74	/	39.85	49.30	100
	3	7.56	23.19	3.01	/	66.24	100
	4	7.18	3.56	/	89.26	/	100

备注：成分数据为半定量分析结果，仅供参考，所给成分为质量百分比。

4.4|试样金相组织分析
对断裂与正常试样金相组织进行分析，结果如图7所示：
正常试样与断裂试样的组织均为回火屈氏体+少量铁素体。

图7-试样金相组织（500×）

4.5|试样硬度
对断裂与正常试样硬度进行测试，结果如表3所示：
1.两者试样硬度一致，均为~460HV0.3/HRC46，靠近客户设计规格上限，但是超出国标GB/T3098.1-2010对12.9级螺杆规定的上限；
2.客户技术要求与GB/T3098.1-2010有差异，建议客户在产品设计时严格按照国标规定执行，避免高硬度的潜在脆性断裂风险。

表3-维氏硬度测试结果

试样	HV 0.3/HRC	12.9 级螺杆硬度（GB/T 3098.1-2010）	客户规格 HRC
断口位置	459/46	39-44 HRC 385-435 HV	40-46
断裂试样	459/46
正常试样	458/45.9

备注：测试结果为三点平均值

4.6|试样化学成分
对断裂试样与正常试样化学成分进行测试，结果如表4所示：
断裂试样与正常试样化学成分符合40Cr规格，符合客户要求规格。

表4-化学成分测试结果（%）

Sample	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Fe
断裂试样	0.389	0.223	0.59	0.021	0.010	0.82	0.002	余量
正常试样	0.388	0.226	0.60	0.022	0.009	0.83	0.003
GB/T 3077-2015 40Cr	0.37- 0.44	0.17- 0.37	0.50- 0.80	/	/	0.80 -1.10	/

05.讨论分析
对8.8级/12.9级及客户螺杆规格进行对比，结果如表5所示：

1.12.9级螺杆通常采用SCM435合金钢（日标）材料制造，硬度达到39~44HRC的超高强度螺丝，其也可以选用国产材料35CrMo或42CrMo替代，热处理一般选用调质处理，国标规定最低回火温度425℃；

2.客户选材为40Cr合金钢，其属于8.8级螺杆建议材料，同时硬度设计40~46 HRC，未严格参照标准执行，设计选材欠佳。用40Cr合金钢做螺杆，为了使热处理后硬度达到40~46 HRC，热处理工艺采用350℃的中温回火，也低于标准规定的最低温度425℃，无疑增加了螺丝的脆性；

3.本案中螺丝头部本身由于其结构特征容易应力集中，加上选材不当、热处理工艺不合适导致硬度过高、裂纹/凹坑缺陷等就很容易造成螺丝在服役中断裂。

表5-螺杆规格对比

螺杆规格	化学成分	GB/T 3098.1-2010 规定
螺杆规格	化学成分	硬度	最低回火温度（℃）
8.8级	35#/45#/40Cr 钢	HRC22-32	425
12.9级	SCM435/35CrMo/42CrMo	HRC39-44	425
客户规格	40Cr	HRC40-46	-350

06.结论与建议
结论：
1.螺杆断口整体平齐，呈现为冰糖状花样，属于沿晶脆性断裂模式；

2.螺杆裂纹源位置有残留Zn元素，应是镀锌前就存在裂纹，可能是螺丝断裂的直接原因；

3.镀锌前的裂纹可能与螺栓技术要求、选材及热处理工艺不匹配有关；

4.螺杆化学成分、硬度、组织符合客户规格，但是和12.9级螺丝规定有冲突，属于产品设计上的选材不当。

建议：
1.加强对冷镦来料的进料检验，防止出现表面裂纹缺陷；

2.按照国标正确选材及热处理。

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