45K冷镦钢常用于冷镦加工制造紧固件、连接件，如螺栓、螺母等。冷镦加工是在常温下塑性成形的加工工艺，采用冷镦工艺制造紧固件，不但效率高、质量好，而且用料省、成本低，但冷镦工艺对原材料质量要求较高。冷镦钢冷加工成形的性能良好，产品尺寸精度高，表面粗糙度好，生成效率高，是新兴的先进加工工艺。

 

本文对六角凸缘螺栓断裂失效件的化学成分、表面硬度、断口形貌及显微组织进行理化检测，分析和推断螺栓失效件断裂的原因以及断裂形成机理。

 

宏观检查

 

该螺栓失效件材料采用45K冷镦钢加工制造，螺栓型号为M8×40mm。加工工艺流程为冷镦→调质→搓丝→酸洗→镀锌。该六角凸缘螺栓在装配过程中发生断裂，断裂部位位于螺杆中部的螺母锁紧位置（见图1a）。六角凸缘螺栓零件由六角凸缘和螺杆构成（见图1b），该螺栓断裂失效件为客户提供，断裂件六角凸缘端已被截取，断裂件螺杆端也已剖开为两半，且两截断裂件外观色泽偏差较大，右侧断裂件的剖面是线切割加工形成的（见图1c）。

 

 

（a）螺栓装配图

 

 

（b）螺栓成品件                     （c）螺栓断裂件

 

图1 螺栓成品及断裂件

 

结果与讨论

 

（1）化学成分分析

 

从该螺栓断裂件上截取试样，采用ARL8860火花放电直读光谱仪进行化学成分检测。依据标准JIS G3507-1-2010《冷镦用碳素钢 第1部分：盘条》进行判定，化学成分符合规范要求（见表1）。

 

表1 失效件样品化学成分测试结果(质量分数)（%）

 

45K钢	C	Si	Mn	P	S
标准值	0.42～0.48	0.10～0.35	0.60～0.90	≤0.030	≤0.035
实测值	0.478	0.159	0.703	0.019	0.009
评  价	符合	符合	符合	符合	符合

 

（2）表面硬度检测

 

从该螺栓断裂件上截取试样，采用Qness Q150数显洛氏硬度计进行表面硬度检测。检测结果表明，实测硬度值符合客户规范要求 （见表2）。

 

表2 失效件样品表面硬度测试结果（HRC）

 

检测点	1	2	3	4	5
实测值	25.68	25.22	25.42	25.47	25.71
规范值	22～32

 

（3）扫描电镜检测

 

采用SIGMA 300扫描电子显微镜，对螺栓失效件断口进行检测。六角凸缘端断口为圆锥形凸起，螺杆端断口为圆锥形凹坑。对六角突缘端圆锥凸起断口进行检测，图2a所示左侧为六角突缘端断口的螺牙齿顶外缘，右侧为断口中心凸起圆锥面。距螺杆螺牙底槽部位存在周向开裂的裂纹，裂纹呈多条平行条纹，表明材料表面强度极低。图2a中红框区域的倍率经放大，螺牙底槽裂纹显示多源台阶的应力开裂特征。该处存在应力集中现象，而且材料表面强度低，因而存在多条多源台阶裂纹源的开裂特征形貌（见图2b），由此推断螺牙底槽部位属于断口的断裂起始区。

 

 

（a）低倍形貌（120×）              （b）高倍形貌（5000×）

 

图2   螺牙底槽形貌

 

断裂起始区断口呈现细小等轴韧窝特征形貌（见图3a），表明材料基体组织韧性较好。靠近圆锥形凸起尖端的断裂终断区，断口仍以细小等轴韧窝为主，同时存在较多量撕裂棱及变形韧窝（见图3b），该处为断口终断区快速扩展特征。

 

 

（a）起始区形貌（5000×）      （b）终断区形貌（5000×）

 

图3 螺栓断口形貌

 

（4）金相检测分析

 

采用Axio Observer 7m金相显微镜，对螺栓断裂件基体组织进行金相检测。试样未经腐蚀剂浸蚀时，螺牙侧面明显可见不同形态的表面裂纹，表面裂纹的纵深度及垂直深度大多在60～160μm。无论是弯曲裂纹还是分叉裂纹，裂纹的尾部都呈圆钝状（见图4a～4d），显示挤压变形的折叠裂纹特征形貌。

 

 

（a）100×                      （b）100×

 

 

（c）500×                          （d）500×

 

图4 螺牙表面裂纹

 

金相显微镜检测，螺杆上几乎每个螺牙侧面都存在表面折叠裂纹。螺牙底部凹槽由圆角过渡，但过渡圆角的R半径较小（见图5a）。经测量，螺牙底槽R角半径为0.18mm，螺牙底槽R角半径越小，对应的应力集中越大。图示螺牙表层覆盖一层亮灰色的镀锌层，经测量该处镀锌层厚度为9.62μm（见图5b）。

 

 

（a）表面折叠裂纹（50×）    （b）表面镀锌层（500×）

 

图5   螺牙表面形貌

 

经腐蚀剂浸蚀后检测，有些螺牙侧面及底槽都存在表面折叠裂纹，同时螺牙表层呈现亮黄色（见图6a～6b），螺牙表层组织存在差异。图片经放大，表面折叠裂纹缝隙两侧存在明显的脱碳层（见图6c～6d）。螺栓在冷镦过程中产生折叠裂纹，在调质处理的加热过程中发生氧化脱碳，后期搓丝加工过程使折叠裂纹进一步挤压成细长的裂纹。

 

 

（a）100×                      （b）100×

 

 

（c）500×                          （d）500×

 

图6 螺牙表面裂纹

 

螺牙侧面发现开口较大的表面折叠裂纹，裂纹间隙两侧的表面脱碳现象更为明显。在表面折叠裂纹的周围呈现变形的纤维状组织，表明搓丝加工之前螺栓表面已存在较大的凹坑，在搓丝过程中经挤压变形而形成折叠裂纹（见图7a）。在表面折叠裂纹的开口处存在两处圆弧状的凹坑，这是表面腐蚀的特征形貌，表明在镀锌处理之前，螺栓零件经过酸洗处理，而且酸洗处理时间较长，已经在表面形成较深的腐蚀凹坑（见图7b）。

 

 

（a）                                                （b）

 

图7 螺牙表面裂纹（500×）

 

在螺牙底槽部位存在锲形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基体呈现严重变形的纤维状组织。由于搓丝加工产生的拉向应力已经大于材料的抗拉强度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑（见图8a）。经测量，搓丝挤压加工的变形层深度达120μm。在螺牙底槽存在较多量的圆弧状腐蚀凹坑（见图8b），表明螺栓在酸洗处理过程中，酸洗处理时间过长。

 

 

（a）撕裂凹坑（200×）            （b）腐蚀凹坑（200×）

 

图8   螺牙底槽形貌

 

螺杆端断裂件的开裂起始区，首先形成于螺牙底槽部位，然后向螺杆中心部位及纵向继续扩展至最终断裂（见图9a～9b）。螺杆端断裂件断口呈圆锥形凹槽，断裂终断区位于螺杆心部，终断区的断口剖面呈现大小不等的凹坑，这些凹坑对应于六角凸缘端断口终断区的韧窝特征形貌（见图9c～9d）。

 

 

（a）断口起始区（25×）            （b）断口起始区（25×）

 

 

（c）断口终断区（25×）        （d）断口终断区（100×）

 

图9 螺杆端断口形貌

 

为了准确测量螺栓断裂件的表面脱碳层，在螺栓光杆部位径向截取试样进行检测。金相显微镜检测，螺栓光杆部位的表层存在较深的白亮色脱碳层（见图10a～10b），依据国家标准GB/T224—2008《钢的脱碳层深度测定法》进行测定，表面脱碳层深度达0.11mm。在调质处理过程中，热处理炉内保护气氛不规范，零件因高温氧化脱碳造成较严重的表面脱碳层，特别是外表层全脱碳部位几乎全为铁素体组织。由于表面脱碳层内的碳含量降低，造成表面强度降低。采用Q10M数显维氏硬度计，对螺栓外表层全脱碳区域进行硬度测试，实测硬度值为85HV0.2，依据国家标准GB/T 33362—2016《金属材料 硬度值的换算》进行换算，对应的抗拉强度值约为270MPa。螺栓规范要求的硬度值为22～32HRC，依据国家标准GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》进行换算，对应的抗拉强度值为813～1039MPa。因而可以推断，表面脱碳层的抗拉强度只有螺栓材料抗拉强度的1/3～1/4。该表面脱碳层缺陷组织显著降低，材料表面强度，这是造成螺栓断裂的主要原因。

 

 

（a）表面脱碳层（100×）       （b）表面脱碳层（500×）

 

图10表面脱碳层

 

六角凸缘部位以及螺栓杆部的基体显微组织，都为细针状马氏体位向的回火索氏体＋少量铁素体（见图11a～11b）。依据国家标准GB/T13320—2007《钢质模锻件 金相组织评级图及评定方法》第三评级图进行评定，调质处理的显微组织评定为2级，标准要求1～4级合格，该显微组织属于合格级别。

 

 

（a）凸缘显微组织（500×）       （b）螺杆显微组织（500×）

 

图11 螺栓显微组织

 

（5）金相试样扫描电镜测试

 

对金相组织进行扫描电镜检测，在螺杆螺牙表面覆盖一层深灰色镀锌层（见图12a）。扫描电镜倍率进一步放大，表面镀锌层显示层状分布的多层结晶体，表面镀锌层与螺牙表面基体连接的过渡层结合良好（见图12b）。经测量，该处表面镀锌层深度为9.36μm。

 

 

（a）表面镀锌层（150×）         （b）表面镀锌层（2000×）

 

图12 表面镀锌层

 

螺杆螺牙凹槽表面同样覆盖一层镀锌层，表面镀锌层底部的螺牙凹槽表面存在多条折叠裂纹（见图13a）。扫描电镜倍率进一步放大，折叠裂纹间隙两侧由若干个圆弧状凹坑构成，表明酸洗过程中的表面腐蚀较为严重。由于凹槽部位表面镀锌层沉积更为突出，实测表面镀锌层深度达10.76μm（见图13b）。

 

 

（a）表面折叠裂纹（1000×） （b）裂纹间隙凹坑（5000×）

 

图13  螺牙底槽形貌

 

经扫描电镜检测，六角凸缘部位及螺栓杆部的显微组织，都为细针状马氏体位向的回火索氏体＋少量未溶铁素体。回火索氏体由颗粒状碳化物构成的针状及条状组织，未溶铁素体晶粒内只有极少量的颗粒状碳化物（见图14a～14b）。检测结果显示，螺栓基体显微组织正常。

 

 

（a）凸缘显微组织（5000×） （b）螺杆显微组织（5000×）

 

图14   螺栓显微组织

 

（6）金相试样微区能谱测试

 

对螺杆螺牙部位的表面镀锌层及基体组织进行微区能谱测试，测试区如图所示，谱图1区为表面镀锌层（见图15a），谱图2区为基体组织（见图15b）。能谱测试结果表明，谱图1区域的表面镀锌层含有Zn、Mg、Fe等合金元素，其中Zn含量达92.47％，能谱测试结果显示，螺牙表层属于含有少量Mg、Fe合金的表面镀锌层（见图15c）。谱图2区域的基体组织含有C、Mn、Fe等合金元素，成分显示与45K冷镦钢材料相符（见表3）。由于试样测试面经过硝酸酒精浸蚀，表面残留较多的C元素，因而能谱测试结果含碳量偏高（见图15d）。

 

 

（a）能谱测试1区域（2000×）（b）能谱测试2区域（2000×） 

 

 

（c）1区域能谱测试结果     （d）2区域能谱测试结果

 

图15 微区能谱测试

 

表3 失效件样品微区能谱测试结果（质量分数）  （%）

 

项  目	C	Mn	Zn	Mg	Fe
谱图1	—	—	92.47	2.32	5.21
谱图2	2.30	0.64	—	—	97.06

 

综上所述，六角凸缘端断口为圆锥形凸起，螺杆端断口为圆锥形凹槽。对六角凸缘端圆锥凸起断口进行检测，在螺牙底槽部位存在多条周向开裂的裂纹。裂纹呈多条平行条纹，表明材料表面强度极低，同时裂纹处的多源台阶显示应力开裂特征。经测量螺牙底槽R角半径为0.18mm，螺牙底槽R角半径越小，应力集中越大。该处存在应力集中现象，而且材料表面强度低。螺牙底槽部位存在多源台阶的裂纹源开裂特征形貌，由此推断该部位属于断口的断裂起始区。

 

螺牙侧面明显可见不同形态的表面裂纹，无论是弯曲裂纹还是分叉裂纹，裂纹的尾部都呈圆钝状，显示挤压变形的折叠裂纹特征，有些螺牙侧面及底槽都存在表面折叠裂纹。在表面折叠裂纹的开口处存在圆弧状的凹坑，这是表面腐蚀的特征形貌，表明在镀锌处理之前，螺栓零件经过酸洗处理，且酸洗处理时间较长，已经在表面形成较深的腐蚀凹坑。在螺牙底槽部位存在锲形撕裂凹坑，螺牙底槽附近的基体呈现严重变形的纤维状组织。由于搓丝加工产生的拉向应力已经大于材料的抗拉强度，因而造成螺牙底槽表面的撕裂凹坑。

 

螺栓表面存在较严重的表面脱碳层，调质处理过程中热处理炉内保护气氛不规范，因高温氧化脱碳造成螺栓零件表面形成较严重的脱碳层，经测量表面脱碳层深度达0.11mm。该表面脱碳层缺陷组织显著降低材料的表面强度，这是造成螺栓断裂的主要原因。

 

结论及改进建议

 

该六角凸缘螺栓断裂的主要原因，是由于调质处理过程中热处理炉内保护气氛不规范，零件因高温氧化脱碳造成较严重的表面脱碳层，显著降低了材料的表面强度。螺栓装配过程中形成拉向应力，在应力集中最大的螺牙底槽产生多条平行裂纹。开裂首先形成于螺牙底槽部位，然后向螺杆心部及纵向继续扩展至最终断裂。

 

冷镦及搓丝过程形成的折叠裂纹及撕裂凹坑，以及酸洗过程产生的腐蚀凹坑，显著降低了螺栓的加工及使用性能。特别是螺牙底槽部位的折叠裂纹、撕裂凹坑及腐蚀凹坑，加速螺栓的断裂进程。

 

螺栓在冷镦加工以及搓丝加工过程中，应保证材料的冷加工塑性变形能力，同时控制好一次变形量和变形速率。零件在调质处理过程中，必须严格执行热加工工艺，防止零件表面氧化脱碳，增加材料表面强度及使用性能。在镀锌处理之前的酸洗过程中，必须控制好酸洗液浓度及酸洗时间，进一步降低零件表面的腐蚀程度。