緊固件原材料質(zhì)量造成的常見缺陷

      原材料缺陷主要包括表面裂紋、表面折疊、表面脫碳、表面粗晶環(huán)、殘余縮孔和夾雜缺陷等。

原材料表面裂紋缺陷

      原材料表面存在裂紋，在緊固件加工后裂紋沒有取出或在成型過程中導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，均會(huì)造成緊固件表面裂紋，見下圖：

01棒材縱向裂紋

      緊固件原材料棒材，因鋼廠軋制工藝不當(dāng)，造成棒材表面產(chǎn)生沿軋制方向伸展的縱向裂紋。這類裂紋一般呈直線狀，裂紋方向與軋制的主要變形方向基本一致。造成原材料縱向裂紋原因很多，如軋制坯料表面存在劃傷類缺陷，由于應(yīng)力集中，在冷卻時(shí)沿劃痕開裂。又如原材料內(nèi)部缺陷沿軋制即流線方向變形并暴露在棒材表面，在應(yīng)力作用下開裂。下圖給出了高溫合金棒材原材料表面的縱向裂紋形貌。

02棒材橫向裂紋

     緊固件用原材料棒材，因鋼廠加工過程的切頭工藝不當(dāng)或因擠壓工藝參數(shù)不當(dāng)，造成棒材頭部切頭處表面產(chǎn)生表面橫向裂紋，下圖給出了高溫合金棒材原材料表面橫向裂紋。表面橫向裂紋的危害性比縱向裂紋更大。

03內(nèi)部裂紋

     原材料內(nèi)部裂紋也是一種常見缺陷。一般表現(xiàn)為裂紋曲折、尾部尖細(xì)，并且局部有分叉。如裂紋兩側(cè)存在脫碳現(xiàn)象，裂紋中有氧化層，則說明在熱處理前裂紋已存在。下圖給出了螺栓原材料內(nèi)部裂紋橫向和縱向截面金相形貌。

     內(nèi)部裂紋大多情況下與材料的內(nèi)部缺陷，如疏松、夾雜等有關(guān)，尤其在擠壓棒材的過程中，由于理論上中心線的變形量為零，材料內(nèi)部的原始缺陷由于外表面的擠壓應(yīng)力較心部大得多而發(fā)生變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生進(jìn)一步的開裂。

原材料表面折疊

     緊固件用合金棒材，因鋼廠生產(chǎn)過程工藝不當(dāng)，造成棒材表面產(chǎn)生折疊甚至裂紋。對(duì)緊固件而言，折疊的形成原因主要是由于金屬坯料在軋制過程中，軋輥上的型槽定徑不準(zhǔn)確，或型槽磨損面產(chǎn)生的毛刺被卷入，形成和材料表面具有一定角度的折疊。緊固件用核材原材料表面折疊裂紋見下圖。

原材料表面脫碳

      原材料表面脫碳主要是原材料在鋼廠拉拔過程中退火不當(dāng)造成，原材料表面脫碳層分布在緊固件材料表面，兩端的機(jī)加端面無脫碳。使用中，脫碳不僅造成緊固件的整體強(qiáng)度降低，特別是由于處于表面的脫碳層強(qiáng)度低，易于在脫碳層內(nèi)產(chǎn)生表面裂紋，使得緊固件發(fā)生早期斷裂失效。特別是對(duì)于螺紋來說，表面脫碳導(dǎo)致螺紋強(qiáng)度顯著降低，容易發(fā)生掉齒和脫扣等故障現(xiàn)象。螺釘表面脫碳組織見下圖。

原材料表面粗晶環(huán)

      原材料表面粗晶環(huán)是多發(fā)生在鋁合金和鎂合金擠壓棒材上的缺陷，在鋼和其他材料中也會(huì)出現(xiàn)。粗晶環(huán)厚度呈現(xiàn)出由擠壓時(shí)的起始端到最后端逐漸增加的特征。如果擠壓時(shí)的潤滑條件較好，則在熱處理后可以減少或避免粗晶環(huán)的存在。由原材料表層的粗晶環(huán)造成緊固件表層的粗晶環(huán)時(shí)，將顯著降低緊固件的性能，特別是在粗晶環(huán)和細(xì)晶的界面上由于強(qiáng)度的差異導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂紋。某螺栓桿部表層粗晶環(huán)見下圖，可以看出，粗晶環(huán)與正常組織區(qū)域的界面非常明顯，非常容易在此界面上產(chǎn)生開裂。

       原材料表面存在粗晶時(shí)，在冷擠壓或墩制成形時(shí)還會(huì)導(dǎo)致緊固件表面粗糙度變差，嚴(yán)重時(shí)呈橘皮狀特征，這在鋁合金或鎂合金等低強(qiáng)度材料的緊固件中最為明顯，橘皮狀本質(zhì)上是一種表面沿晶界的網(wǎng)狀微觀開裂，在使用時(shí)微裂紋擴(kuò)展而成為宏觀裂紋。形成粗晶環(huán)的主要原因是原材料冷拉變形不當(dāng)所致。例如，高溫合金冷拉棒材，成品前的最后一次冷拉變形量控制不當(dāng)，使材料表層的變形量落在臨界變形區(qū)內(nèi)，經(jīng)固溶熱處理后臨界變形區(qū)內(nèi)的晶粒長大形成粗晶環(huán)。

原材料殘余縮孔

      原材料殘余縮孔主要是鋼廠對(duì)鋼錠的帽口未切除干凈，在開壞和軋制時(shí)殘留在原材料內(nèi)部所致。殘余縮孔密集的區(qū)域，一般會(huì)出現(xiàn)夾雜物、疏松、偏析等缺陷。有殘余縮孔的原材料在變形或加工緊固件后，會(huì)使緊固件的心部從頭至尾呈現(xiàn)貫通的孔洞和不規(guī)則的內(nèi)裂紋，裂紋的擴(kuò)展容易造成緊固件的失效TB3鈦合金螺釘在裝配過程中曾多次發(fā)生斷裂。分析表明，螺釘斷裂是由于原材料殘余縮孔未切除干凈，而在鍛造過程中又未焊合，由于承受了多次鍛打變形，在缺陷處沿原始β晶界開裂，當(dāng)螺釘受到軸向裝配應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生斷裂，斷裂螺釘斷口形貌見圖下圖 (a)，明顯看到中心部位的縮孔，縮孔表面放大后的自由表面特征見圖下圖(b)。

原材料夾雜缺陷

     原材料中雜質(zhì)元素主要來源于材料冶煉過程中所用的原材料、冶煉過程中大氣、爐壁上或坩堝材料的污染、合金錠或母合金以及零件澆鑄過程中的污染等。當(dāng)夾雜物聚集分布或在成形過程中沿變形方向呈鏈狀分布時(shí)，容易導(dǎo)致緊固件在加工和使用過程中沿夾雜物發(fā)生開裂。下圖給出了GH2036高溫合金螺母由于夾雜物導(dǎo)致加工后出現(xiàn)縱向裂紋，在對(duì)裂紋斷口進(jìn)行觀察時(shí)，在斷口上發(fā)現(xiàn)大量的夾雜物顆粒，如下圖所示。