Почему высокопрочные болты выходят из строя в процессе производства? Эта статья посвящена изучению причин разрушения высокопрочных болтов и показывает, что виновниками являются дефекты литья и неправильная горячая ковка. Изучение физических, химических и механических свойств позволяет выявить, как внутренние дефекты приводят к снижению несущей способности и хрупкому разрушению. Ознакомьтесь с процессом тщательного анализа и узнайте, как предотвратить подобные сбои при производстве болтов в будущем. Читайте дальше, чтобы убедиться, что ваши болты соответствуют строгим стандартам производительности.
В процессе изготовления болта при правке произошло разрушение болта.
Чтобы определить причину разрушения болта, он был подвергнут макроскопическому исследованию, анализу химического состава, испытанию механических свойств, металлографическому анализу структуры и анализу излома.
Результаты показывают, что внутренние дефекты литья болта не были устранены из-за неправильной горячей ковки в процессе производства, что привело к снижению несущей способности и образованию трещин в процессе правки.
Задача - изготовить партию высокопрочных болтов с шестигранной головкой с техническими характеристиками M42 мм, материалом 42CrMoA и классом исполнения 10.9.
Технология обработки болтов следующая: отжиг сырья → бесцентровое точение → пиление → снятие фаски с плоского торца → фосфатирующая смазка → термоусадочный пруток → горячая ковка → снятие фаски с шестигранной головки → термообработка (отпуск) → правка → накатка резьбы. Отпуск осуществляется в печи с сетчатой лентой.
В процессе рихтовки два болта сломались примерно на 1/2 оси винта (см. рис. 1).
Процесс правки оставшихся болтов этой партии был остановлен сразу после того, как два болта сломались.
Чтобы выявить причину разрушения болтов и предотвратить повторение подобных случаев, автор провел соответствующую проверку и анализ сломанных болтов.
1.1.1 Макроанализ перелома
Оба болта были сломаны примерно на половину, чтобы выпрямить их. гибочная частькак показано на рисунке 1(a).
Поверхность излома в целом демонстрирует характеристики хрупкого разрушения. На поверхности излома видны радиальные полосы, идущие от центра к периферии.
Внешний слой поверхности излома выглядит гладким и плоским, что свидетельствует о хрупком разрушении.
На поверхности трещины не было обнаружено макроскопических пластических деформаций или шлаковых включений.
Как показано стрелкой на рис. 2, в процессе правки были обнаружены трещины. Трещины возникли в центре и распространялись к периферии, что в конечном итоге привело к разрушению болта.
1.1.2 Макроскопический тест
Для осмотра под малым увеличением следует взять поперечный образец на 20 мм ниже поверхности разрушения сломанного болта.
В центре болта обнаружены многочисленные усадочные полости.
По результатам проверки общая рыхлость классифицируется как 1 класс, центральная рыхлость - как 2 класс, а общая пятнистая сегрегация - как менее 1 класса.
Подробности см. на рисунке 3. Других макродефектов, таких как трещины, обнаружено не было.
Рис. 1 Сломанный болт
Пожалуйста, возьмите образцы примерно с 20 мм вблизи места разрушения болта для анализа химического состава.
Для выполнения этой задачи мы будем использовать спектрометр прямого считывания QSN750 производства компании OBLF в Германии. Химический состав материала будет проверен на соответствие требованиям GB/T 3077-1999 Alloy Structural Steel к химическому составу болтов из этого материала методом спектрального анализа. Результаты приведены в таблице 1.
Для определения содержания кислорода, азота и водорода в образце, взятом из сломанного болта, мы будем использовать анализатор кислорода, азота и водорода ONH-836 от American Liko Company. Согласно результатам анализа, содержание кислорода, азота и водорода составляет 0,0011%, 0,0090% и 0,0001%, соответственно.
Стоит отметить низкий уровень содержания O, N и H.
Таблица 1 Химический состав разрушенного болта (w,%)
Элемент | C | Si | Mn | P | S | Cr | Мо | Ni | Cu |
Значение обнаружения | 0.42 | 0.34 | 0.69 | 0.010 | 0.004 | 1.10 | 0.20 | 0.04 | 0.02 |
0.43 | 0.33 | 0.70 | 0.010 | 0.006 | 1.07 | 0.20 | 0.04 | 0.02 | |
0.39 | 0.33 | 0.67 | 0.010 | 0.004 | 1.06 | 0.19 | 0.04 | 0.02 | |
Стандартное значение | 0.38-0.45 | 0.17-0.37 | 0.50-0.80 | 0.025 | 0.025 | 0.90~1.20 | 0.13~0.25 | <0.30 | <0.25 |
Выберите один болт из той же партии для испытания на растяжение.
Диаметр образца на растяжение составляет 10 мм, но это не настоящий болт.
Универсальная испытательная машина HUT605A с микрокомпьютерным управлением и электрогидравлическим сервоприводом от компании Wance Group используется для проведения испытаний на механические характеристики.
Результаты испытаний см. в таблице 2.
Испытание на твердость проводится на металлографическом образце сломанного болта, результаты испытаний представлены в таблице 3.
Нет значительной разницы в твердости между поверхностью и центром болта, а результаты испытаний механических свойств соответствуют требованиям "Механические свойства крепежа - болты, винты и шпильки" (GB/T 3098.1-2010).
Таблица2 Результаты испытаний механических свойств
Свойства | Прочность на разрыв Rm/MPa | Предел текучести Отн/МПа | Удлинение A/% | Уменьшение площади Z/% |
Значение обнаружения | 1069 | 970 | 14.6 | 53.5 |
Стандартное значение | ≥1040 | ≥940 | ≥9 | ≥48 |
Таблица 3 Результаты испытаний на твердость
Часть | Поверхность/HBW | Core/HBW |
Значение обнаружения | 333、329、337 | 321、329、329 |
Стандартное значение | 316~375 |
Металлографические образцы были взяты с поверхности и сердцевины вблизи излома сломанного болта, и металлографический контроль был проведен с помощью металлографического микроскопа OLYMPUS-GX51.
После полировки в центре были обнаружены многочисленные отверстия, как показано на рис. 3 (a), а на поверхности не было обнаружено никаких явных отклонений.
Микроструктура как поверхности, так и сердцевины болта представляла собой закаленный сорбит.
Микроструктура вблизи поверхности имела относительно небольшое количество отверстий, как показано на рис. 3 (b).
Микроструктура в сердцевине имела относительно большое количество отверстий, как показано на рис. 3 (c). Никаких видимых обезуглероживание была обнаружена на поверхности болта, как показано на рисунке 3 (d).
Рис.4 Микроструктура разрушения болта
После ультразвуковой очистки для анализа морфологии излома использовался сканирующий электронный микроскоп IT300.
Наблюдение морфологии SEM на радиальной области поверхности разрушения показывает, что поверхность разрушения демонстрирует очевидные характеристики трещины расщепления, а также вторичные трещины и небольшое количество отверстий в локализованных местах, как показано на рис. 4.
Рис.5 СЭМ-морфология излома
Химический состав сломанного болта соответствует требованиям стандарта. Излом имеет поперечную трещину, а макроанализ поверхности излома показывает, что он имеет характеристики хрупкого разрушения.
Поверхность разрушения состоит из двух частей: области источника зарождения трещины в центре поверхности разрушения и области радиального расширения от центра к периферии. На краю трещины отсутствует пластическая деформация, что свидетельствует о хрупком разрушении.
При малом увеличении на тестовой поверхности была обнаружена серьезная проблема ослабления центра (уровень ослабления центра 2). Во время процесс литьяВ результате рыхлой системы расплавленная сталь постепенно затвердевает от поверхности к центру, а зона столбчатых кристаллов растет к центру в виде дендритов.
Первые кристаллизованные дендриты относительно чисты и имеют высокую температуру плавления. Отдельные элементы, газы, неметаллические Включения и небольшое количество не затвердевшей расплавленной стали находятся между дендритами.
По мере снижения температуры затвердевшая часть сжимается. Когда не затвердевшая расплавленная сталь между дендритами недостаточна для заполнения зазора, образуются усадочные полости. Неплотные дефекты называются общей рыхлостью. Если пористость возникает в центральной равноосной зоне, ее называют центральной пористостью. Результаты металлографических испытаний показывают наличие крошечных отверстий, что соответствует результатам испытаний при малом увеличении.
Анализ разрушения Морфология излома - спайная, на поверхности излома имеются вторичные трещины и небольшое количество отверстий. Результаты испытаний механических свойств отвечают требованиям соответствующих стандартов.
Таким образом, при разрушении наблюдается поперечная трещина, а микроструктура и показатели механических свойств соответствуют требованиям стандарта. Кроме того, растрескивание болта не было вызвано закалка и отпуск так как в процессе использовалась печь с сетчатой лентой, не происходило несвоевременного отпуска.
Трещина возникла в центре и распространялась наружу. Содержание водорода было недостаточным, чтобы вызвать водородное охрупчиваниеНа снимках РЭМ не было обнаружено признаков водородного охрупчивания (рисунок "куриный коготь"). Следовательно, растрескивание болта не было вызвано замедленным растрескиванием, вызванным водородом.
Осмотр с малым увеличением выявил явную центральную рыхлость в центре болта, что соответствует расположению источника трещин на поверхности разрушения. Система разрушения имеет поперечную трещину, что указывает на наличие осевого растягивающего напряжения во время растрескивания.
Таким образом, на основании процесса изготовления болта можно сделать вывод, что центральное ослабление болта было вызвано дефектами сырья.
В процессе горячей ковки дефекты литья не были устранены, и под действием постоянного осевого растягивающего напряжения в процессе усадки стержня в отверстиях болта образовались трещины, которые постепенно расширялись наружу. Хрупкие трещины возникли в процессе правки, что привело к разрушению болта.
Первопричиной разрушения болта является наличие дефектов литья (центральная рыхлость) в заготовке болта, которые не были устранены в процессе горячей ковки, что привело к снижению несущей способности болта. Затем трещины возникли под действием растягивающего усилия в процессе правки.