| 标题 | 薄头内六角螺钉头杆结合处失效分析 |
| 范文 | 沈加元 王春斌 陈荷云 摘 要：薄头内六角螺钉进行紧固过程中发生断裂失效，断裂发生在头杆结合处。采用宏观分析、化学成分分析、金相分析等方法对螺钉断裂原因进行了分析。结果表明：螺钉断裂主要原因是螺钉生产用模具设计缺陷导致生产过程中头杆结合处产生撕裂，形成薄弱处，性能无法达到标准要求而产生失效。 关键词：内六角螺钉;不锈钢;断裂;模具 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.018 0 背景 对于内六角系列螺钉，在保证足够槽深的基础上，其内六角底部与螺钉下承面头杆结合处间距较小，形成相对薄弱区，如果材料、孔深、制造过程等控制不当，易在头杆结合处产生失效;更严重者，尚未达到螺钉标准强度即产生失效。此规格螺钉为薄头内六角螺钉，其头部高度相对于普通内六角螺钉头部高度更小，内六角底部与下承面之间余量也更小，因此其头杆结合处失效风险更大。该失效螺钉材质为304奥氏体钢，规格为M10X25mm，现奥氏体内六角螺钉制造工艺一般为：原材料冷抽硬化—冷镦成型—研磨—螺纹碾制—洗光[1]，有别于传统切削加工方式可直接控制其外形尺寸，冷镦成型方式需通过模具设计间接控制其产品尺寸，因此模具设计及调整成为控制产品质量重要一环。 1 宏观分析 1.1 整体宏观形态 失效螺钉整体宏观形貌见图1，可见螺钉表面呈金属本色，金属表面未有涂覆层，断裂位置在头杆结合处，断口完整未见腐蚀痕迹。失效件螺纹有明显使用痕迹、未见锈蚀现象，螺纹处未见断裂起源区，可见断裂起源于头杆结合处[2]。 1.2 低倍镜下断口宏观形貌 将失效样品置于低倍镜下观察断口宏观形态，图2、图3为失效螺钉头部及杆部断裂位置图片，发现头部及杆部断面均有两种形态，且能重合复原。 图2所示a）区域占约整个头部断面2/3区域，有明显环状沟槽，有金属片状剥离现象，a）区域内有明显层叠纹路及阶梯状裂纹。b）区约占头部断面1/3，断面较为平坦，断面具有颗粒感。断裂起于与a）区与b）区交界处，呈逆时针方向扩展条纹，为典型扭转拉伸应力下断裂面[3]。 图3所示杆部断面c）区约占杆部断面2/3，区域内有明显层叠纹路及阶梯状裂纹，断面较光滑，且有纵向纹路，有金属片状剥离，与a）区能重合。断口d）区约占杆部断面1/3区域，断面较为平坦，无断层，断面具有颗粒感，与b）区重合。 2 化学成分分析 在断裂螺钉杆部截取试样进行光谱检测，对试样进行清洗、干燥、打磨后，采用斯派克LAVFA08A臺式直读式光谱仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。可见各项元素含量均符合GB/T 4356-2016《不锈钢盘条》中关于S30408钢的规定。 3 金相分析 3.1 低倍镜下横截面形态 截取断裂螺钉断口附近横截面，经镶嵌、打磨、抛光后置于低倍镜下观察，见图4，未发现明显裂纹。 3.2 横截面金相分析 截取断裂螺钉断口附近横截面，经镶嵌、打磨、抛光、60%（体积分数）硝酸溶液进行电解腐蚀后，置于蔡司Axio Imager.A1m金相显微镜下观察，其金相显微组织见图5，呈现均匀奥氏体组织。 3.3 非金属夹杂分析 取金相试样置于蔡司Axio Imager.A1m金相显微镜下观察，图6所示为试样非金属夹杂物形态，依据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》对比判定，试样中非金属夹杂主要为B类细系1.5级，该非金属夹杂并不影响开裂。 4 综合分析 依据以上检验结果可知：失效螺钉化学成分检验结果符合GB/T 4356-2016《不锈钢盘条》中关于S30408钢的规定;其横截面金相分析为均匀奥氏体，未见明显裂纹，非金属夹杂未见明显异常，材料本身未发现缺陷。 此螺钉生产工艺为冷镦碾制，其墩头过程由三模三冲连续冷镦成型，其中第一模为初成型，未参与内六角孔成型，因此并不影响头杆结合处性能。螺钉最终通过二模与三模两次冲孔挤压成型，生产过程中如果成型调机时二模与三模的长度配合不当，该规格二模成型控制长度与三模成型控制长度相差大于1mm，导致在冲压成型内六角孔时材料出现撕裂，降低头部承载力。螺钉在拧紧条件下，承受轴向拉伸应力及横向剪切应力作用，拧紧过程中附加扭转剪切应力，在周向应力集中情况下可能产生失效。二模和三模的长度差会在每次更换模具或主冲棒后有一定调整，所以内六角孔折叠问题在批次中会以一定比例呈现。 从失效样品断口宏观分析可以发现断口2部分为典型不锈钢螺钉在扭转、拉伸应力条件下应力集中产生的撕裂。而断口1部分并无金属撕裂产生的颗粒状断裂面，从其金属层叠剥离状况看，明显存在金属流线断裂并重新折叠现象;断口无明显宏观塑性变形，其断裂面光亮，为预先断裂后重新挤压粘连，断口存在纵向纹路，为挤压及拉脱导致;断裂起始位置并非六角槽底部，而是沿嵌入金属内部原有断裂面拉脱，此部位无法提供足够承载力。 综合以上分析认为，此失效螺钉由于成型时模具调整不当，导致头杆连接处2/3区域存在折叠，在拧紧过程中，此部位先发生断裂，而后导致另1/3区域产生撕裂。 5 结论及建议 薄头内六角螺钉冷镦成型过程中二模、三模成型控制长度相差过大易导致成型过程中产生折叠，使得螺钉机械性能无法达到标准要求，使用过程中产生失效。此类缺陷难以从外观观察发现，且不可逆，因此在模具调整阶段就应予以重点管控，防止金属折叠发生。 参考文献： [1]姜招喜，许宗凡，张挺，刘昌奎.紧固件制备与典型失效案例[M].北京：国防工业出版社，2015. [2]张栋.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004. [3]邱康勇，张杰，吴继权.某钢结构螺栓断裂失效分析[J].理化检验（物理分册），2018，59（10）：765-768. 作者简介：沈加元（1982-），男，浙江嘉兴人，大专，实验室负责人，工程师，主要从事不锈钢螺栓紧固和失效等方面的研究。 |
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