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摘要 本文采用酸蚀试验，化学分析，金相检验，扫描电镜等方法，对常熟标准件厂生产的4.8级低碳钢制六角头螺栓在安装时发生头部断裂的现象进行了分析。结果证明该螺栓位于头部沿径向的脆性断裂，是头部冷镦过程中偏心导致头部产生折叠，继而产生的裂纹引起的。
关键词 六角头 脆性断裂 偏心 折叠
引言 我厂生产的4.8级六角头螺栓，客户在使用安装时屡次发生位于头部沿径向的脆性断裂。该螺栓的生产工序为：材料退火→材料拉拔→冷镦→搓牙。我们对断裂螺栓进行了物理和化学性能的分析，并同时与其他批次合格螺栓进行了比较。
1 检验及分析
1.1 检测仪器
MAXxLMF14直读光谱仪 HXS-1000A金相显微镜 HR-150A硬度计 EVO 18扫描电镜
1.2 宏观及酸蚀试验
取断裂螺栓型号为1180 16X45 ，图1为断口形貌，可见断口成灰色结晶状，光滑平坦，裂纹起源于次表面（箭头处），看不到纤维区，剪切唇区很小，整个断面呈现脆性断裂特征。
取断裂螺栓的头部沿纵向中心线剖开做低倍酸蚀试验，同时取不同批次合格螺栓与之比较。图2是断裂同批次未使用螺栓，在头部距支撑面1/3处一条明显裂纹，裂纹处金属流线有折叠，有尖角，左右不对称。图3是其他批次合格螺栓，金属流线完整对称，金属纤维连续。
图2也说明螺栓安装扭断之前已有裂纹存在，这裂纹是在之前的工序产生的。
1.3 硬度 HRB82 符合4.8级标准
1.4 化学分析
用直读光谱仪测断裂螺栓的化学成分，结果如下：
0.10%C， 0.11%Si， 0.41%Mn， 0.011%S， 0.013%P
材料符合标准规定。
1.5 金相分析
取断裂螺栓的横截面做金相试样，晶粒度6级，组织为块状F+少量聚集的粒状P。为正常退火组织。（图略）
1.6 扫描电镜分析
对断裂螺栓的断口进行扫描电镜观察（图4），断口形貌既非解理形貌，也非典型的晶间断裂形貌，而是非常平坦的金属平面，在金属平面上，是不同晶粒压平后的晶界（呈亮线）。说明钢在安装扭断前并无原子间的金属键结合，而是一种不严格的压合状态，即在破断前内部非完整的金属晶体结构。
这一结论证实了前面提到的裂纹发生在冷镦工序或之前，断口经末次镦粗已被破坏，只能看到压平后的状态。
2螺栓断裂原因分析
由图5可见，螺栓的裂纹发生在安装扭断之前，头部冷镦成型是关键工序。
螺栓冷镦的第一步是切料，无论哪一种切断方式，坯件的切断面都不能与其轴心线垂直，应有一个1°～5°角的倾斜。这样在冷镦时，初冲对坯件的着力点不在中心，而会出现偏心，使坯件受力不均，从而产生变形不均，导致头部成形时因纵向弯曲而出现折迭。对于切断面倾斜角小的，变形中产生的纵向弯曲不明显，不至于达到影响头部质量的程度。（图5）相对而言，低碳钢因为有较好的塑性和低的硬度，这个倾斜角趋于上限。
此外，初冲型腔的底端是对坯件施加镦锻力的传递面，如果中心偏移，合力的作用中心势必产生偏移，同样道理，也是产生纵向弯曲的因素。其它如机床的运行精度、操作者对工装安装调整水平也对初冲成形有影响。也会因偏心导致折叠产生。
这就是导致螺栓六角头纵剖面金属流线产生不对称和折叠（图3）的原因。
经过之前的拉丝工序，材料产生形变硬化，相比而言心部硬度明显低于表面硬度，即材料心部的σb低于表面。初镦时，材料因偏心受軸向压应力的同时也受到径向的剪切力[1]，当这个剪切力超过心部σb时，在应力集中处（折叠尖端，夹杂，偏析等缺陷处）就产生了
横向裂纹，这个裂纹在继续镦粗的过程瞬间扩展，以致没有明显的纤维区，再继续镦粗的过程将开裂面金属晶粒压合就是之后扫描电镜观察到的图4。对于低强度的材料一般总认为其塑性较好，不应该发生脆性断裂，但因为同时强度σb也低，变形中的材料存在某些缺陷时（如折叠，夹杂，偏析等），这些缺陷处的应力集中就足以产生开裂。这解释了此断裂螺栓的裂纹起源于次表面而非外表面。
这种头部有裂纹（图2）的螺栓如果做拉伸试验会发生低应力的脱头（头杆结合部的断裂），在使用安装过程中受到预紧力则会发生头部裂纹截面处的断裂。
3结论及建议
1、 螺栓断裂脱头的主要原因是冷镦工序中偏心造成的。
2、 冷镦工序应避免初鐓时冲压力与工件的偏心，这可以通过切料后安排坯件整形，初冲中采用带弹簧的顶杆，增加操作工培训以提高工装安装调整水平等来加以改善。
3、 对一些重要部位的螺栓（如1180 4.8级螺栓）改用含微量Al的08Al、10Al，达到细化晶粒，改善材料韧性的目的。[2]
4、 增加无损探伤以剔除存在内部裂纹的工件。
参考文献 [1]上海市机械制造工艺研究所主编 金相分析技术 上海：上海科学技术文献出版社，1987： 896
[2]章守华 .合金钢 北京：冶金工业出版社，1981：24
作者简介：巢爱华（1964-）， 女，汉族，湖南长沙人， 常熟标准件厂，大学本科， 从事理化检验及热处理工作。
关键词 六角头 脆性断裂 偏心 折叠
引言 我厂生产的4.8级六角头螺栓，客户在使用安装时屡次发生位于头部沿径向的脆性断裂。该螺栓的生产工序为：材料退火→材料拉拔→冷镦→搓牙。我们对断裂螺栓进行了物理和化学性能的分析，并同时与其他批次合格螺栓进行了比较。
1 检验及分析
1.1 检测仪器
MAXxLMF14直读光谱仪 HXS-1000A金相显微镜 HR-150A硬度计 EVO 18扫描电镜
1.2 宏观及酸蚀试验
取断裂螺栓型号为1180 16X45 ，图1为断口形貌，可见断口成灰色结晶状，光滑平坦，裂纹起源于次表面（箭头处），看不到纤维区，剪切唇区很小，整个断面呈现脆性断裂特征。
取断裂螺栓的头部沿纵向中心线剖开做低倍酸蚀试验，同时取不同批次合格螺栓与之比较。图2是断裂同批次未使用螺栓，在头部距支撑面1/3处一条明显裂纹，裂纹处金属流线有折叠，有尖角，左右不对称。图3是其他批次合格螺栓，金属流线完整对称，金属纤维连续。
图2也说明螺栓安装扭断之前已有裂纹存在，这裂纹是在之前的工序产生的。
1.3 硬度 HRB82 符合4.8级标准
1.4 化学分析
用直读光谱仪测断裂螺栓的化学成分，结果如下：
0.10%C， 0.11%Si， 0.41%Mn， 0.011%S， 0.013%P
材料符合标准规定。
1.5 金相分析
取断裂螺栓的横截面做金相试样，晶粒度6级，组织为块状F+少量聚集的粒状P。为正常退火组织。（图略）
1.6 扫描电镜分析
对断裂螺栓的断口进行扫描电镜观察（图4），断口形貌既非解理形貌，也非典型的晶间断裂形貌，而是非常平坦的金属平面，在金属平面上，是不同晶粒压平后的晶界（呈亮线）。说明钢在安装扭断前并无原子间的金属键结合，而是一种不严格的压合状态，即在破断前内部非完整的金属晶体结构。
这一结论证实了前面提到的裂纹发生在冷镦工序或之前，断口经末次镦粗已被破坏，只能看到压平后的状态。
2螺栓断裂原因分析
由图5可见，螺栓的裂纹发生在安装扭断之前，头部冷镦成型是关键工序。
螺栓冷镦的第一步是切料，无论哪一种切断方式，坯件的切断面都不能与其轴心线垂直，应有一个1°～5°角的倾斜。这样在冷镦时，初冲对坯件的着力点不在中心，而会出现偏心，使坯件受力不均，从而产生变形不均，导致头部成形时因纵向弯曲而出现折迭。对于切断面倾斜角小的，变形中产生的纵向弯曲不明显，不至于达到影响头部质量的程度。（图5）相对而言，低碳钢因为有较好的塑性和低的硬度，这个倾斜角趋于上限。
此外，初冲型腔的底端是对坯件施加镦锻力的传递面，如果中心偏移，合力的作用中心势必产生偏移，同样道理，也是产生纵向弯曲的因素。其它如机床的运行精度、操作者对工装安装调整水平也对初冲成形有影响。也会因偏心导致折叠产生。
这就是导致螺栓六角头纵剖面金属流线产生不对称和折叠（图3）的原因。
经过之前的拉丝工序，材料产生形变硬化，相比而言心部硬度明显低于表面硬度，即材料心部的σb低于表面。初镦时，材料因偏心受軸向压应力的同时也受到径向的剪切力[1]，当这个剪切力超过心部σb时，在应力集中处（折叠尖端，夹杂，偏析等缺陷处）就产生了
横向裂纹，这个裂纹在继续镦粗的过程瞬间扩展，以致没有明显的纤维区，再继续镦粗的过程将开裂面金属晶粒压合就是之后扫描电镜观察到的图4。对于低强度的材料一般总认为其塑性较好，不应该发生脆性断裂，但因为同时强度σb也低，变形中的材料存在某些缺陷时（如折叠，夹杂，偏析等），这些缺陷处的应力集中就足以产生开裂。这解释了此断裂螺栓的裂纹起源于次表面而非外表面。
这种头部有裂纹（图2）的螺栓如果做拉伸试验会发生低应力的脱头（头杆结合部的断裂），在使用安装过程中受到预紧力则会发生头部裂纹截面处的断裂。
3结论及建议
1、 螺栓断裂脱头的主要原因是冷镦工序中偏心造成的。
2、 冷镦工序应避免初鐓时冲压力与工件的偏心，这可以通过切料后安排坯件整形，初冲中采用带弹簧的顶杆，增加操作工培训以提高工装安装调整水平等来加以改善。
3、 对一些重要部位的螺栓（如1180 4.8级螺栓）改用含微量Al的08Al、10Al，达到细化晶粒，改善材料韧性的目的。[2]
4、 增加无损探伤以剔除存在内部裂纹的工件。
参考文献 [1]上海市机械制造工艺研究所主编 金相分析技术 上海：上海科学技术文献出版社，1987： 896
[2]章守华 .合金钢 北京：冶金工业出版社，1981：24
作者简介：巢爱华（1964-）， 女，汉族，湖南长沙人， 常熟标准件厂，大学本科， 从事理化检验及热处理工作。