45鋼雙頭螺柱斷裂失效分析

45鋼是一種優質碳素結構鋼，具有較高的強度和硬度，廣泛應用于機械行業制作承受負荷較大的小截面調質件和應力較小的大型正火零件，以及對心部強度要求不高的表面淬火零件等。本文主要研究了某45鋼M16雙頭螺柱在服役過程中出現斷裂，并對斷裂機理進行了研究分析。具體斷裂形貌如圖1所示。

斷裂位置位于雙頭螺柱螺紋部位，斷面較為平整，未見腐蝕色彩，裂紋源區位于螺紋牙底部位，為單一裂紋源；擴展區約占整個斷面的3/4，說明該斷裂雙頭螺柱所受載荷較低；瞬斷區與斷面呈45°夾角。

裂紋起源于螺紋牙底，斷口較為平齊，未見明顯塑性變形，未見腐蝕色彩，斷面呈灰色特征。斷口源區、擴展區呈疲勞特征；瞬斷區呈韌窩特征。

對螺柱斷裂位置進行取樣，腐蝕劑選用4%硝酸酒精溶液，試樣制備依據GB/T 13298—2015進行，對制好的試樣進行金相分析。

金相分析結果表明，表層未見脫碳現象，心部為未淬透組織，顯微組織為網狀鐵素體+片層狀珠光體組織，表層為高溫回火組織，無脫碳現象；非金屬夾雜物主要為C類細系2級及DS類1.5級。

對拆卸下來的雙頭螺柱，進行破壞拉力和硬度分析。

該斷裂件和拆卸下來的完好件，破壞拉力和硬度值均滿足8.8級螺栓硬度值要求，但硬度值存在不均勻現象，處于標準值下限。

該斷裂件斷口為疲勞斷口，未見氧化腐蝕色彩，如圖4所示；顯微組織不均勻，心部為鐵素體+珠光體組織，表層為回火索氏體結構，存在未淬透現象；螺紋牙側非承載面中徑以上存在折疊，牙根部位有折疊等不連續性缺陷；單件硬度值表層和心部相差較大，平均值處于標準值下限。

通過觀察斷裂雙頭螺柱外表面，裂紋源區相對的表面鍍層局部磨損較為嚴重；說明雙頭螺柱在使用過程中存在偏載現象，造成局部應力集中。

綜上所述，該45鋼雙頭螺柱在服役過程中發生斷裂，斷裂形式為單源疲勞斷裂；淬火過程中存在未淬透現象，顯微組織為非單一均勻回火索氏體結構；存在安裝偏載現象^[1]，在后期服役中受力不均勻，造成螺紋根部局部應力集中，受到反復交變載荷作用，致使裂紋萌生直至斷裂。

建議加強對45鋼雙頭螺柱熱處理工藝控制，GB/T 3098.1—2010規定對8.8級性能等級用的材料，應有足夠的淬透性，以確保緊固件螺紋截面的心部在淬硬狀態，回火前獲得約90%的馬氏體組織，因此建議選用淬透性更好的合金結構鋼，保持顯微組織的一致性；進一步對安裝過程進行控制，確保螺柱在服役過程中受力均勻。