塑料挤出机变速箱螺栓断裂分析.pdf

第39卷第1期
化工机械
塑料挤出机变速箱螺栓断裂分析
尤兆宏
(上海赛科石化殷份有限资任公司)
要针对变速箱螺栓发生断裂的情况,采用化学成分分析、断口扫描电镜分析、金相分析、冲击试验
及硬度测试等手段进行失效分析。结果表明,螺栓的断戰性质为浩晶性斷梨,是由于热处理不当导致
出现了不可逆回火脱化,片状破化物的晶界析出和杂质元素的聚集导最了回火后的晶界脆化。
关键词料挤出机变遠箱螺栓沿晶断戰·回火腕性
中图分类号TQ051.7
文獄标识码B
文章编号0254-6094(2012)01-0099-03
某厂2008年12月发现塑料挤出机齿轮箱端在350℃回火可以得到。
盖螺栓断裂,发生断裂的内六角螺栓强度级别为
8.8,即抗拉强度不低于800MPa,屈服强度为0.8
倍的抗拉强度。笔者采用多种手段分析了螺栓断
裂的原因。
1螺栓的宏观形貌、化学成分和金相
图1为断裂螺栓断口宏观形貌,没有塑性变
形,断口表面比较粗糙,不象是疲劳断口的光滑特
征和放射纹特征。
表1为断裂的螺栓化学成分,接近40Cr的化
学成分。图2、3为螺栓断裂位置的金相照片,金
相组织非常细小,属于回火托氏体,这个组织大约
图1断裂的螺栓形免
表1斯裂螺栓及40Cr标准值的化学成分
材料种类
Si
S
Cr
螺栓
0.37
0.013
0.016
0.90
0.021
40r0.37-0.40.50-0.800.17-0.370.035
0.035
0.80-1.10
0,030
0.1mm
图2断裂螺栓金相组织
图3扫描电镜显示的金相组织
尤兆宏,男,1965年9月生,高级工程师。上海市,201507。
万方数据
100
化工机械
2012年
2断口分析
图4、5为螺栓斷口的扫描电镜形貌,断口呈
沿晶的脆性开裂。断口上没有疲劳辉纹,故没有
疲劳特征
图7断口末端的沿晶断口形貌
4试验结果分析
产生沿晶断裂的原因主要有4种:晶界上存
在有脆性沉淀相;杂质和合金元素在晶界偏析,致
图4沿晶断口
使晶界弱化;热应力作用和环境引起的沿晶侵蚀
作用。该螺栓使用环境不具备应力腐蚀开裂和高
温断裂环境,且沿晶断裂的晶面上并无碳化物的
存在,所以最大的可能性是杂质元素和合金元素
的晶界偏析,导致晶界弱化,是回火阶段的回火脆
性引起的。
某些低合金钢材在特定温度区间(250
400℃)缓慢冷却至常温后出现脆性上升的现象。
1746SE
由于这一温度属热处理淬火后的回火温度区间,
故称回火脆。有些钢材一旦发生回火脆后就无法
因5沿晶斯口和二次裂纹
用热处理消除,此称为第一类回火脆或不可逆回
火脆。第二类回火脆是指长时间在450~600℃
3冲击试验和硬度测试
(或更高的600~700℃)之间作回火处理或使用,
对断裂的螺栓进行冲击试验,冲击试样尺寸常温下表现出脆性上升的现象。这类回火脆可以
为10mmx10mmx55m,从试验结果看冲击功通过重新加温而消除,故称可逆回火脆。一般来
值非常低,所有试样均呈脆性断裂。断裂的螺栓说,第一类回火脆性产生的机理随具体钢种而不
硬度为HRC46~48,这和螺栓淬火后250
同,在中碳钢和中碳合金钢中脆性断裂的主要原
350℃的回火温度得到的硬度相符。图6、7为螺因还是沿晶界和亚晶界形成了薄膜状的渗碳体,
栓的冲击断口扫描电镜形貌,可以看出断口均为而杂质偏析主要是在高温回火脆性中起作用。材
沿晶开裂。
料在250~400℃回火区域内进行回火,在淬火的
马氏体内部会析出c碳化物,这些新生成的碳化
物将沿板条马氏体的板条、東的边界或在片状马
氏体的李晶带和晶界上析出,呈颗粒或薄壳状
从而导致钢的韧性明显下降。而一些杂质元素如
S、P、Sn在晶界或亚晶界的偏析;尤其是P在加热
时发生奥氏体晶界偏聚,淬火后保留下来,P在
原奥氏体晶界偏聚和渗碳体回火时在原奥氏体晶
界析出,将促进低温回火脆性的产生,降低了晶界
抗断裂的能力。
图6断口起裂位置的沿晶断口
根据金相组织分析,该螺栓淬火后的回火温
万方数据
第39卷第1期
化工机械
101
度大约为350℃左右,而这一温度恰好在第一类伸测得屈服强度738MPa,抗拉强度910MPa。
回火脆的温度范围。为此进行冲击试验和硬度试
对于本批螺栓,内六角底部和螺杆之间的厚
验进行验证,冲击试验的断口也呈现沿晶开裂,而度只有8mm,厚度太薄,导致该处成为最薄弱环
该失效的螺栓硬度为HRC44-48,是在第一类回节,拉伸时从该处断裂。为此,螺栓加工的时候该
火脆化的温度得到的特征,则可以确定为热处理处厚度需要增加,方能发挥螺栓的高强度作用。
回火脆导致的断裂。
本次的螺栓断裂并不是因为该处的厚度小造成
该组螺栓经过淬火后在350℃左右回火时,的,即使厚度不足,该处的抗拉强度也有69MPa,
淬火马氏体组织中的碳化物以薄片状在奥氏体晶需要220kN的拉力才能拉断。从拉伸试验的断
界析出,造成晶界脆化;而钢中的合金元素Cr会后形貌可以看出,拉断后螺栓有颈缩现象,呈杯锥
促进杂质元素如S、P等在晶界的偏聚,从而促进状断口,而现场断裂螺栓没有这些特征。因此,本
低温回火脆化。由于螺栓材料本身热处理脆化的次螺栓使用中发生的断裂直接原因为螺栓热处理
不可逆性,在服役中突然遇到载荷波动时发生了导致的脆化现象。
沿晶脆性开裂。
6结東语
5整根拉伸试验
通过对塑料挤出机端盖螺栓进行分析,断裂
取一根螺栓进行整体拉伸试验。一端夹持螺的螺栓的热处理状态是淬火加350℃左右回火
纹部分,另一端夹持螺杆头部进行整根螺栓拉伸热处理过程中控制不当出现了不可逆回火脆化
试验。当试验机加载到220kN时螺栓头部被拉(不符合CB/T-3098.1-2000的溶火后加425℃以
断,此时抗拉强度为69MPa(屈服强度66MPa),上温度回火的要求),这导致了螺栓材料脆性增
断后形貌如图8所示。对该螺栓光杆部位整体拉大,也是本次螺栓断裂的根本原因;回火脆化的螺
栓在服役中突然遇到载荷波动便发生了沿晶脆性
开裂。此外螺栓设计也存在问题,螺栓内六角的
光杆加我断裂位置
螺栓头部首先拉断
底部和螺杆之间的连接处厚度太薄,这使螺栓头
的根部成为螺栓最薄弱的环节,不能发挥其高强
度优勢。
图8杆拉仲断裂形貌
(收稿日期:2011-02-23
(上接第88页)
内的油雾润滑技术还有待于进一步发展。目前,的温度比原稀油润滑时下降了7~15℃,运行状
重整装覺部分功率较大的机泵以及双支撑离心泵态平稳,有效地改善了机泵运行环境。润滑油节
仍采用希油润滑,以致现在重整泵区两种润滑方约效果明显,可减少润滑油消耗量50%以上。作
式并存。由于油雾润滑方式具有稀油润滑不可比为一种新型润滑方式,油雾润滑既能有效地改善
拟的优势,因此,进一步开发可以满足大功率、双机泵工作条件,降低维护成本,又能大幅度减小工

展开阅读全文