螺杆断裂失效分析
01测试背景
2021年1月14日，客户用螺杆装配脚轮10件并库存在仓库，2022年1月24日发现1pc螺杆六角头部断裂，参图1。经追溯，断裂螺杆于2020年11月份生产，客户将断裂螺杆委托实验室进行分析，协助分析断裂原因，解决质量困惑。
图1 组装脚轮断裂螺杆外观
02样品信息
某12.9级高强度螺杆制程：40Cr冷镦件(外购)→热处理强化→外发镀锌。热处理工艺：850℃保温1小时（碳控0.6），油冷（油温80℃）淬火，350℃回火2小时，硬度要求HRC40~46。
03测试项目、规范及设备信息
04测试结果
4.1|断口表面观察断裂试样用酒精清洗后，对其断口及截面形貌进行观察，结果如图2所示：1.断口试样A及B区域有明显的撕裂棱，A区域存在疑似金属色泽物质，这些区域应是裂纹源位置，断面基本平齐，基本无变形；2.螺柱外表面未发现明显裂纹。图2 试样表面形貌图
4.2|断口表面SEM+EDS分析对断口表面进行SEM+EDS分析，结果如图3~4及表1所示：1.裂纹源位置存在明显的摩擦痕迹，其成分中含有一些Zn元素，可能是此区域在镀锌之前存在裂纹，镀锌过程中有Zn元素进入基材；2.扩展区整体呈现冰糖状花样，局部区域有小孔洞，是典型的沿晶脆性断裂特征；3.瞬断区呈现为冰糖状花样与韧窝特征的韧性与脆性混合断裂特征；4.试样断裂模式属于脆性断裂模式。图3 试样表面各区微观断口形貌图4 EDS分析位置（30×）表1 EDS分析结果（%）
4.3|试样切面分析对断口及正常试样切面进行分析，结果如图5~6及表2所示：1.裂纹源位置断面几乎平齐，边缘位置有小裂纹，镀层Zn深入基材，同时局部区域含有S元素，可能是酸性镀锌溶液残留，可以推测开裂位置在镀锌之前就存在，这一结果与之前的推测结果一致，同时螺杆上也存在明显的凹坑，螺丝头部位置本身容易应力集中，在裂纹等缺陷的诱发下很容易断裂；2.正常试样表面未发现裂纹和明显的凹坑等缺陷，仅在局部位置有小凹坑；3.螺杆表面凹坑缺陷也会影响螺栓使用寿命。图5 切面形貌图图6 EDS分析位置（1000×）表2 EDS分析结果（%）
4.4|试样金相组织分析对断裂与正常试样金相组织进行分析，结果如图7所示：正常试样与断裂试样的组织均为回火屈氏体+少量铁素体。图7 试样金相组织（500×）
4.5|试样硬度对断裂与正常试样硬度进行测试，结果如表3所示：1.两者试样硬度一致，均为~460HV0.3/HRC46，靠近客户设计规格上限，但是超出国标GB/T3098.1-2010对12.9级螺杆规定的上限；2.客户技术要求与GB/T3098.1-2010有差异，建议客户在产品设计时严格按照国标规定执行，避免高硬度的潜在脆性断裂风险。表3 维氏硬度测试结果
4.6|试样化学成分对断裂试样与正常试样化学成分进行测试，结果如表4所示：断裂试样与正常试样化学成分符合40Cr规格，符合客户要求规格。表4 化学成分测试结果（%）
05讨论分析
对8.8级/12.9级及客户螺杆规格进行对比，结果如表5所示：1.12.9级螺杆通常采用SCM435合金钢（日标）材料制造，硬度达到39~44HRC的超高强度螺丝，其也可以选用国产材料35CrMo或42CrMo替代，热处理一般选用调质处理，国标规定最低回火温度425℃；2.客户选材为40Cr合金钢，其属于8.8级螺杆建议材料，同时硬度设计40~46 HRC，未严格参照标准执行，设计选材欠佳。用40Cr合金钢做螺杆，为了使热处理后硬度达到40~46 HRC，热处理工艺采用350℃的中温回火，也低于标准规定的最低温度425℃，无疑增加了螺丝的脆性；3.本案中螺丝头部本身由于其结构特征容易应力集中，加上选材不当、热处理工艺不合适导致硬度过高、裂纹/凹坑缺陷等就很容易造成螺丝在服役中断裂。表5 螺杆规格对比
06结论与建议
结论：1.螺杆断口整体平齐，呈现为冰糖状花样，属于沿晶脆性断裂模式；2.螺杆裂纹源位置有残留Zn元素，应是镀锌前就存在裂纹，可能是螺丝断裂的直接原因；3.镀锌前的裂纹可能与螺栓技术要求、选材及热处理工艺不匹配有关；4.螺杆化学成分、硬度、组织符合客户规格，但是和12.9级螺丝规定有冲突，属于产品设计上的选材不当。建议：1.加强对冷镦来料的进料检验，防止出现表面裂纹缺陷；2.按照国标正确选材及热处理。
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