1.概 述
某车辆厂为铁路生产特种铆钉，材料采用45Mn2，形状如图2-65 所示。厂方采用以下工艺制作：
下料→拉拔到一定尺寸→头部加热进行热墩成型→拉细→冷滚丝→840 °C 加热淬火（网带炉加热2 h）→530 °C 回火（2 h）→发黑→产品
按标准规定产品出厂前要进行检验：硬度控制在HRC25～35 范围，对实物螺栓进行拉伸实验，要求在一定的拉力下，螺栓在图2-69 所示缺口处断裂。
图2-69 螺栓形状
2009 年4—7 月从钢厂订购一批钢材，在检验过程中发现问题：一些螺栓拉伸实验时，断裂位置并非在缺口处，而是从螺纹等处发生断裂，所占比例达到7%左右。厂方开始怀疑是原材料问题，对原材料进行了反复分析，确认成分与冶金质量不存在问题。经过与厂方技术人员探讨，认为原因可能出现在以下几个方面：
（1）由于原材料中夹杂物的影响发生不正常断裂；
（2）热处理出现问题，组织不正常；
（3）冷加工出现问题。
厂方要求确认出现问题的原因。
2.试验方法
厂方提供了3 件非正常断裂的螺栓，首先认真分析宏观断口，从断口附件截取样品进行金相组织与夹杂物分布分析。
3.试验结果与分析
1）宏观断口分析
宏观断口形貌见图2-70。从图2-70 中可以看到，断裂从螺纹处开始，然后扩展到缺陷处。值得注意的是：在螺纹断面上均存在黑色的颜色，显然是在发黑处理时产生的。
2）金相组织分析
对3 件样品均进行微观组织分析，发现组织基本类似，典型的组织照片见图2-71。
图2-70 拉伸非正常断口的宏观照片(www.xing528.com)
图2-71 非正常断口样品金相组织照片
从图2-71 中可以看到：样品中存在一定的夹杂物，基体组织是回火索氏体组织，没有发现粗大的组织及非正常组织。值得注意的是：在3 件样品中均发现较多的微裂纹。其中一件样品的微裂纹是非常粗大的，用放大镜观察就可以看到。这些微裂纹均分布在螺纹的根部，见图2-71（g）、（h），并且还可以观察到微小的二次裂纹，见图2-71（f）。粗大微裂纹两侧没有观察到脱碳层，但是在二次裂纹两侧观察到了明显的脱碳层。这些微裂纹是如何形成？它们与不正常断口有什么关系？下面将进行深入的分析。
4.分析讨论
1）非正常拉伸断口的形成过程
3 个非正常断口的断裂过程基本类似，仅就图2-70（a）所示的断口形貌进行分析。在拉伸前该螺栓螺纹处存在多个微裂纹，这些裂纹是在发黑前形成的，因此发黑时裂纹处也将变黑。这些裂纹有些尺寸长，有些尺寸短。在那些长的裂纹处，拉伸时产生应力集中形成破断的启裂点，随着拉力的增加启裂点裂纹扩展，形成断裂面，见图2-70（a）。在拉力作用下，随启裂裂纹扩展，螺栓承载的截面积减少，由于螺栓缺口处截面积小，也存在应力集中，所以当裂纹扩展到一定程度，从缺口处撕裂，形成如图2-70（a）所示断口。
因此可以得到结论：非正常断口的形成是螺栓在拉伸前螺纹根部存在裂纹。
2）螺纹根部的裂纹是如何形成的？夹杂物是否有影响？
这些裂纹形成的原因是：在冷挤压螺栓时，在螺纹根部就形成许多微小裂纹，这些裂纹长短形态各不相同，在淬火时一些较长的微裂纹在淬火应力作用下，就扩展形成更长更宽的裂纹，由于它们是在淬火过程中形成，所以在这些长裂纹两侧观察不到明显脱碳层。这些淬火中形成的裂纹也是有长有短，那些特长的裂纹就成为拉伸时开裂的启裂点。也有一些小的挤压裂纹，在热处理时没有扩展，所以观察到明显的脱碳层，见图2-71（f）。由于在长裂纹及二次裂纹中均没有观察到夹杂物的存在，所以材料中虽然存在夹杂物，它们也不是裂纹产生的主要原因。
因此可以得到结论：螺栓根部长的裂纹是淬火中形成的，在冷挤压螺栓时螺纹根部就形成微裂纹，这些微裂纹淬火时成为根部淬火裂纹形成的关键原因。
3）非正常断口形成原因分析与建议
据了解厂方原来是采用热挤压制造螺栓，当时从来没有出现过拉伸断口不正常的情况。后来将热挤压成型螺栓改变为冷挤压成型螺栓，就出现了问题。这就更进一步证实上述金相分析结果。
冷挤压螺纹光洁度好、外观美观，对于不经过热处理的螺栓有一定强化作用。但是由于冷挤压存在加工硬化作用，容易出现微裂纹。由于随后采用调质处理，所以冷加工造成的强化影响就不存在。通过分析得到以下结论：
在冷挤压螺纹时可能是由于工艺、刀具、螺纹形状等多方面原因（再加上螺栓材料是45Mn，并非低碳钢制），所以在挤压螺纹时造成根部存在一定数量的微裂纹。这些微裂纹中较长的，在随后淬火过程中形成更长的裂纹存在螺纹的根部，在随后的发黑过程中断面呈黑色。拉伸时这些裂纹成为启裂点，在拉力作用下扩展直至断裂，造成非正常拉伸断口。
建议：
（1）对正常断裂螺栓也不能排除在螺纹根部存在微裂纹，建议最好不使用或慎重使用。
（2）对螺纹冷成型工艺应该进行改进（例如螺纹根部均采用圆弧过渡）且螺纹冷加工成型后应该加强检测，判断在螺纹根部是否存在微裂纹，然后再进行热处理。
后续厂方说明，冷加工后在根部就发现裂纹，证明我们分析合理，已全部停工。
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