装载机轮胎轮辋螺栓断裂分析
装载机轮胎轮辋螺栓断裂分析
概况
轮辋螺栓是装载机轮胎的重要紧固件，其外形结构如图1所示。使用材料为40Cr，强度10.9级。该轮辋螺栓在紧固后运转中发生脆性断裂，见图2所示，断口一侧呈现盘状，盘底为圆形(黄圈内)，较为平滑，盘身为放射状条纹，与其匹配的断口凸凹正好相反，中心为馒头形，周围为放射状撕裂岭条纹形貌，由于螺栓工作时即受到拉应力的作用，同时也受到剪切力的作用，所以4个断口试样在后瞬断区接近表面都有一个剪切断裂区。
受临工集团委托，北京蔡司电镜体验中心对其提供的4个轮辋螺栓断口试样和一个断口的金相试样用EVO18扫描电镜和牛津X能谱仪进行观察与分析，试样都经过超声波清洗。分析结果如下：
图1 装载机轮胎轮辋螺栓实物
图2装载机轮胎带螺母的螺栓脆性断裂断口形貌
微观特征
1.试样1 断口扫描电镜观察
图3-1 1#断口中心圆形裂纹源放大18倍形貌，在其裂纹源断口上有密集分布的颗粒状夹渣冶金缺陷。
图3-2 1#断口中心圆形裂纹源放大100倍形貌，在其裂纹源断口上有密集分布颗粒状夹渣冶金缺陷（白色斑点）。
图3-3 1#断口中心圆形裂纹源放大500倍一堆液态夹渣颗粒形貌
图3-4 1#断口中心圆形裂纹源放大500倍另一堆液态夹渣颗粒形貌
图3-5 1#断口中心圆形裂纹源放大500倍另一堆液态夹渣颗粒形貌
图3-6 1#断口中心圆形裂纹源放大500倍另一堆液态夹渣颗粒形貌
图3-7 1#断口中心圆形裂纹源与周围放射状断裂形貌
图3-8 1#断口中心圆形裂纹源区沿晶断裂特征
图3-9 1#断口裂纹源夹渣放大扫描电镜形貌，X射线能谱图及X射线元素定量分析结果。该夹渣含有结晶器保护渣的主要成分：K2O 、Na2O、Cr2O3、MnO、FeO等成分。
2.试样2断口扫描电镜观察
图4-图4-1 2#断口中心圆形裂纹源放大18倍形貌，在其裂纹源断口上有密集分布的颗粒状夹渣冶金缺陷。
图4-2 2#断口中心圆形裂纹源与周围放射状断裂形貌
图4-3 2#断口中心圆形裂纹源放大500倍一堆液态夹渣颗粒形貌
图4-4 2#断口中心圆形裂纹源放大500倍一堆液态夹渣颗粒形貌
图4-5 2#断口中心圆形裂纹源放大500倍一堆液态夹渣颗粒形貌
图4-6 2#断口中心圆形裂纹源区沿晶断裂特征
图4-7 2#断口裂纹源夹渣放大扫描电镜形貌，X射线能谱图及X射线元素定量分析结果。该夹渣含有结晶器保护渣的主要成分：K2O 、Na2O、CaO、FoO、C、S、Cl等成分。
3.试样3断口扫描电镜观察
图5-1 3#盘形断口中心圆形裂纹源及周边放射状断裂放大7倍形貌，在其裂纹源断口上有密集分布的颗粒状夹渣冶金缺陷。
图5-2 3#盘形断口中心圆形裂纹源放大40倍形貌，在其裂纹源断口上有密集分布的颗粒状夹渣冶金缺陷（白色颗粒）。
图5-3 3#断口中心圆形裂纹源放大500倍一堆液态夹渣颗粒形貌
图5-4 3#断口中心圆形裂纹源放大200倍一颗大夹渣颗粒形貌
图5-53#断口中心圆形裂纹源放大200倍两颗大夹渣颗粒形貌
图5-6 3#断口中心圆形裂纹源区沿晶断裂特征及二次裂纹形貌
图5-73#断口裂纹源夹渣放大扫描电镜形貌，X射线能谱图及X射线元素定量分析结果。该夹渣含有结晶器保护渣的主要成分：K2O 、Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、CaO、Cr2O3、TiO2、ZnO、FeO、S、Cl等成分。
4.试样4断口扫描电镜观察
图6-1 4#馒头形断口中心圆形裂纹源放大100倍形貌，在其裂纹源断口上有密集分布的颗粒状夹渣冶金缺陷。
图6-2 4#断口中心圆形裂纹源放大100倍两堆液态夹渣颗粒形貌
图6-3 4#断口中心圆形裂纹源放大500倍一堆液态夹渣颗粒形貌
图6-4 4#断口中心圆形裂纹源放大200倍一堆液态夹渣颗粒形貌
图6-5 4#断口裂纹源夹渣放大扫描电镜形貌，X射线能谱图及X射线元素定量分析结果。该夹渣含有结晶器保护渣的主要成分：K2O 、Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、CaO、Cr2O3、FeO、Zn、S、P、Cl等成分，Zn、P的存在表示在镀膜自己前就有裂纹存在，镀膜液沿着裂纹浸入到裂纹源的缝隙中。
5.试样5断口处金相组织观察及成分分析
图7-1 裂纹源处组织扫描电镜1000倍形貌
图7-2 裂纹源处组织扫描电镜2000倍形貌
图7-3边缘处组织扫描电镜1000倍形貌
图7-4 边缘处组织扫描电镜2000倍形貌
图7-5 裂纹源中心处成分X射线能谱图及X射线C、Si、Cr、Mn、Fe钢基体元素定量分析结果。
图7-6 边缘处成分X射线能谱图及X射线C、Si、Cr、Mn、Fe钢基体元素定量分析结果。
比较图7-5与图7-6，发现中心处C为正偏析，Cr、Mn为负偏析，Si在整个截面没有变化。
结果分析
1.1#、2#、3# 盘状断口与4#馒头形失效断口具有非常一致的断裂行为：断口一侧宏观呈盘状，盘底圆形区为裂纹源，裂纹源区几乎占断口的四分之一，与其匹配的断口呈馒头状；
2裂纹源区密集分布液态夹渣颗粒，十分严重，这些夹渣含有结晶器保护渣的主要成分：K2O 、Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、CaO、Cr2O3、FeO、S、Zn、P、Cl等成分，其中Zn、P的存在表示在镀膜之前就有裂纹存在，镀膜液沿着裂纹浸入到裂纹源的缝隙中。
3. 裂纹源区为沿晶裂纹扩展，周围呈放射状撕裂扩展；
4. 比较图7-5与图7-6，发现中心处C为正偏析，Cr、Mn为负偏析，Si在整个截面没有变化。组织多数为板条马氏体回火组织及少量针状马氏体回火组织。
5. 这些夹渣是结晶器保护渣在浇注时由于注流发生湍流波动将保护渣卷入结晶器，由于湍流很大，发生很大的卷渣，甚至卷入结晶器的中心，后滞留在连铸坯的中心，轧制成材遗传给钢材和结构件，较多的夹渣破坏了钢基体的连续性，降低了钢的强度导致该螺栓发生低应力脆性断裂。
6.如此多的夹渣对结构件来讲是不能允许的冶金缺陷，由他导致的失效将十分严重，必须引起高度重视。
