分享：42CrMo钢螺栓断裂失效分析
摘要
对42CrMo超高强度钢基螺栓的断裂行为进行了实验研究，包括宏观和微观断裂观察、金相测试、力学性能测试和能谱分析。结果表明:锚杆断裂源区和基体中存在大量硫化物夹杂、带状夹杂和碳亏损等组织缺陷;这些缺陷降低了材料的疲劳强度，容易产生疲劳断裂源。此外，硫化物夹杂易使裂纹扩展，随着应力的增加，螺栓的有效横截面逐渐减�。庇αΤ牧隙狭亚慷仁�，最终导致螺栓断裂。基于断裂失效判据和疲劳裂纹扩展曲线，探讨了断裂机理。
螺栓断裂形态介绍
42CrMo钢因其超高的强度、韧性、良好的淬透性、不明显的回火脆性、淬火回火后较高的疲劳极限和抗多次冲击能力而被广泛应用于锻件[1-3]。这种钢基锻件具有较高的强度和较大的淬火回火截面，在机车牵引用大齿轮、压力容器后桥、重载连杆、弹簧夹等工程应用中具有广阔的前景。以及深井钻杆接头和2000米水下打捞工具。
然而，故障的发生是不可避免的，因此，了解故障机理对优化设计和规避行动具有重要作用。本研究采用宏观观察和微观观察相结合的方法，分析了螺栓断裂源区和基体的力学行为和金相组织。此外，通过引入断裂失效判据[4,5]，从理论上探讨了裂纹扩展的起始和方向分析，提供了一种预测方法，有助于工程应用。
该螺栓为风力发电机的紧固螺栓，规格型号为M30 × 435。制造过程如下:原料?压裂材料?锻压毛坯?毛坯?热处理?纵向力学性能试验?探伤?精加工?成品。螺栓安装使用时，客户在巡检过程中发现螺栓断裂。
2. 测试过程及结果
2．1． 裂缝宏观观察
螺栓断裂发生在靠近螺栓端部33mm处，如图1所示。螺栓的断口在螺纹根部。其形态如图2所示。在宏观观察下，断口上可以看到明显的疲劳特征。断裂起源于螺栓的外表面。半椭圆形状的疲劳起始区相对光滑。在延伸区域可以观察到清晰的疲劳线。扩展区域覆盖了大部分裂缝，瞬时裂缝面积相对较�。翁缤�3所示。螺栓断口表面磨损严重，表现出不同程度的腐蚀。无法观察到断裂形态。从断裂形态来看，瞬时断裂区域接近边缘，表明螺栓过载程度较低。当螺栓为超载断裂时，纤维区是断裂源的位置，且呈环形脊状的纤维区总是位于火山最内层，而不是边缘。
图1锚杆断裂宏观形貌。
图2 螺栓断裂位置的形态。
图3 螺栓断裂形态。
2．2. 螺栓基体力学性能试验
在断裂螺栓上取一组拉伸试样和三个冲击试样进行力学性能试验，如表1所示。
2．3. 螺栓基体的金相检验
对螺栓基体进行了非金属夹杂物、显微组织和晶粒尺寸测试。金相检验结果如表2所示。组织形貌如图4所示，晶粒尺寸如图5所示。
图4 螺栓基体金相组织。
图5 螺栓基体晶粒尺寸。
如表2所示，该螺栓的非金属夹杂物、显微组织、晶粒尺寸试验结果均未见明显异�！�
断口存在严重的划伤和锈蚀，断口形貌观察不清楚。然而，在断裂起始区观察到大量的孔洞(图6)。延伸
区分布较不明显的疲劳条纹，其形貌如图7所示。放大观察，断口相对平坦，断口上分布着大量次生裂纹
，形貌如图8所示。通过对金相试样裂纹中灰色产物的半定量能谱分析，裂纹主要含有Os、Cr、Mn、Fe
等元素。参见图9中的能谱。
图6 裂缝成因区微观形态。
图7 裂缝延伸区微观形貌。
图8 次生断裂裂纹的宏观形貌。
图9能量谱。
根据上述电镜和能谱结果可知，在断裂源区域存在大量孔洞缺陷，是导致整个螺栓断裂的直接原因。疲劳扩展地区边缘分布是一种重要的微观基础部件的疲劳断裂,疲劳条纹出现在第二阶段的疲劳裂纹扩展,裂纹扩展速率更快,每个应力周期的微米。裂纹口灰色产物为氧化产物，裂纹尾为硫化锰夹杂物。这些结构的存在破坏了材料表面的连续性，导致在亚表面赫兹区形成裂纹，特别是脆性氧化物和基体被分离成空洞。腔体边缘尖锐角处的应力集中超过基体的弹性极限，塑性变形较大，导致材料表面硬化，从而产生裂纹。
2.5。骨折来源的显微观察
将螺栓在断口处纵向切割并打磨。在金相显微镜下，可以观察到许多小裂纹从断口延伸到基体。最深的裂缝深度为0.10 mm，其形貌如图10所示。在放大观察下，裂缝被灰色的产物填充(图11)。在裂缝成因附近发现了分布较集中的硫化物锰包裹体(图12)。在基体中还观察到许多硫化锰夹杂物。
图10小裂纹微观形貌。
样品在4%硝酸醇溶液中腐蚀时，在断口处观察到碳耗尽。贫碳层深度最深为0.40 mm，形态如图13所示。
在断口处，条带状分布与裂纹扩展方向一致，部分微裂纹沿条带状组织延伸，其形貌如图14所示。带也
分布在矩阵中。根据GB/T13299-1991，条带状组织的等级为3C2.5，其形貌如图15所示。螺栓的齿顶和
齿两侧见碳耗�。翁缤�16所示。
图13 断口附近的碳包裹体微观形貌在断口附近耗损。
图14 带的微观形态。
图15 断口处基体带的显微形貌
图16螺栓齿顶和齿两侧碳消耗的微观形貌。
断口处基体带的显微形貌
从上述微观结果可以看出，在工程中，断裂源区最深的裂纹深度为0.10 mm，裂纹萌生阶段为0.05-0.08
mm。已知断裂源区最深的裂纹已经跨过裂纹起裂阶段到达裂纹。在膨胀阶段，裂纹的存在导致螺栓表
面应力和应变集中，在裂纹处形成疲劳源，加速疲劳裂纹的萌生和扩展。在骨折的源头、螺栓的根部和
牙齿的侧面都有碳消耗。碳消耗是部分脱碳。脱碳使表面硬度降低;因此，材料的屈服强度降低，容易发
生塑性变形。表面摩擦系数的增大促进了表面裂纹的形成。断裂源处的带状结构缺陷和基体中的缺陷也
是造成疲劳断裂的原因之一。由于带状组织相邻带的微观结构不同，其性能也不同。在外力作用下性能
较差的条带容易暴露，在强弱条带之间出现应力集中，导致整体力学性能下降。存在明显的各向异性，
从而降低了材料的疲劳性能。
3.断裂失效准则
对于均质材料的脆性断裂，以应力强度因子和能量释放率作为裂纹扩展力，断裂韧性作为断裂阻力参数
[6,7]。假设能量释放率(G)达到材料的断裂韧性(Γ)，裂纹开始扩展。G为KII/KI、裂纹扩展角φ(裂纹扩展
方向与X轴正方向的夹角−π < Φ < π)、外载荷、弹性模量的函数。断裂准则可以表示为：
如果材料在Φ≠0方向的韧性值大于F = 0方向的韧性值，则断裂判据可表示为：
式中为沿Φ = 0的韧性值，通过细观力学的测试和方法得到。根据Gu和Asaro[8, 9]的研究，以及对面内和
反对称荷载试件的分析，可以得出以下结论:(1)材料的非均匀性越大，II型应力强度因子越大。的裂纹传
播方向的不同能量释放率和断裂韧性是最大的。(2)当裂纹位于试样的中心,材料的不均匀性有很大影响裂
纹扩展的方向,当裂纹接近标本的边界,不均匀性对其影响不大。
4. 机理分析与探讨
以上试验结果表明，螺栓的力学性能符合GB/T3077的技术要求，金相组织为正常调质组织。在微观观察
下，螺栓存在许多硫化物夹杂的结构缺陷，说明材料在脱硫过程中脱硫不良。同时，在螺栓的断裂起始
区观察到从外表面延伸至基体的细小裂纹。裂缝里充满了灰色的产物。通过电镜和能谱分析，裂纹前部
的灰色产物为氧化产物，裂纹后部的灰色产物为硫化锰夹杂物。钢中的非金属夹杂物，特别是氧化物，
分布粗大且不均匀，不呈点状变形，大大降低了材料的疲劳磨损性能。虽然硫化物的�：Ρ妊趸镄。�
但如果钢中硫化物含量高，也会破坏材料表面的连续性。这是因为硫化物在热工状态下具有塑性，
膨胀系数与钢相近，与基体一起变形。疲劳裂纹源往往产生于严重缺陷和应力集中的区域。因此，
在使用中，锚杆在孔洞处和断裂源区域的夹杂缺陷处形成应力集中点，从而成为裂纹源。在后续使用中
，裂纹进一步扩展扩展，最终导致锚杆失稳断裂。
螺栓的带状结构明显，且带状结构的生长方向与裂纹扩展方向一致。条带状结构包括一次条带状结构和
二次条带状结构。初生带组织是原始带形，是由铸锭时产生的枝晶偏析引起的;二次带钢组织是在一次带
钢形状的基础上形成的，一次带钢形状是在钢材轧制或热处理后沿轧制方向产生的。共析铁氧体带和珠
光体带相互叠加形成带结构。二次带组织可以通过合理的热处理工艺来缓解或消除，而一次带组织则
很难通过普通热处理消除。但普通热处理难以消除初生带状组织，需要通过电渣重熔、提高钢液结晶速
度、提高终轧(锻造)温度、提高锻造比或扩散退火等技术加以避免或改善。带状组织的存在导致了两种结
构应力差异和材料各向异性，为裂纹扩展提供了方便的通道。
综上所述，断裂螺栓的断裂性质为典型的疲劳断裂，包括裂纹萌生、裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。典
型的疲劳裂纹扩展曲线如图17所示。产生裂纹的三个主要原因是:滑移带引起的表面粗糙度;由于应变严重
失调，裂纹源在晶界内形成;以及表面夹杂物、加工缺陷和化学偏析区形核。对于本文所研究的螺栓，
裂纹萌生是由表面夹杂物、加工缺陷和化学偏析区形核引起的。对于工业材料来说，包含夹杂、空隙、
表面加工缺陷和化学偏析的微观区域也可以成为疲劳裂纹萌生的部位[17-19]。缺陷处疲劳裂纹萌生机制
与一系列力学因素、微观组织因素和环境因素有关[20-23]。这些因素包括基体的滑移特性、基体与缺陷
的相对强度、基体与夹杂物界面的强度以及基体与夹杂物对疲劳环境中腐蚀的相对敏感性。在金属内部
形成的疲劳亚微观裂纹连接形成微观疲劳裂纹[24,25]，称为裂纹形成的第一阶段。裂纹沿最大剪应力方
向不断扩展，与载荷形成约45°的夹角，这是疲劳裂纹形成的第二阶段。当裂纹垂直于载荷方向扩展时，
法向应力对裂纹扩展的影响较大，裂纹扩展的速度和深度明显增大。当裂纹扩展到一定的临界长度时，
失稳扩展导致快速断裂。
图17 典型的疲劳裂纹扩展曲线。
5. 结论
(1)基于锚杆断裂的宏观、微观观察与分析，(2)螺栓的力学性能和基体组织符合技术要求，(3)螺栓的断口
区域和基体中存在大量的硫化物夹杂、偏析和碳亏损等组织缺陷。缺陷的存在降低了材料的疲劳强度，
在材料的薄弱区域容易形成疲劳断裂源。随着应力的增加，裂纹沿硫化物夹杂不断扩展，锚杆有效截面
逐渐减小。当应力超过材料的断裂强度时，就发生断裂。
（文章来源：材料与测试网-）
