Определение причин разрушения стальной шпильки

Определить причины разрушения стальной шпильки - с такой задачей в нашу Компанию обратился очередной Заказчик. Общий вид шпильки показан на рисунке.

В аккредитованной испытательной лаборатории "МЕТАЛЛ-ЭКСПЕРТИЗА ТЕСТ" был проведен рад испытаний металла шпильки с целью решения поставленной задачи. Исследование состояло из: химического анализа металла шпильки, измерения твердости по сечению, испытания на статическое растяжение и фрактографического изучения поверхности разрушения.

В результате проведенного спектрального химического анализа на эмиссионном спектрометра АРГОН-5СФ установлено, что металл исследованной шпильки по химическому составу удовлетворяет требованиям, предъявляемым ГОСТ 1050-2013 к стали марки 50.

Для определения характера структуры было произведено металлографическое исследование. Травления шлифа производили 3% раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Просмотр и съемку шлифа осуществляли на оптическом микроскопе "Альтами Мет 1С". Полученные изображения структур показаны на рисунке.

В результате металлографического анализа установлено, что исследуемый образец шпильки имеет феррито-перлитную структуру. Содержание перлита в структуре составляет порядка 70%, средний размер зерна феррита 10 мкм. Перлит находится внутри ферритной оторочки, которая образовалась по границам исходных аустенитных зерен. В поверхностных объемах присутствует обезуглероженный слой глубиной 100 мкм.

Феррито-перлитный характер структуры металла шпильки свидетельствует об отсутствии такой упрочняющей термического обработки, как закалка. Тип структуры по всему сечению шпильки не меняется.

 Для определения прочностных характеристик была произведена твердометрия по всему поперечному сечению шпильки. Измерения твердости по методу Виккерса (ГОСТ 2999-75) проводили на твердомере ИТБРВ 187,5. Измерения производили от края к центру с шагом 2 мм. Результаты дюрометрического исследования представлены в таблице.

По результатам измерения твердости установлено, что твердость по сечению шпильки не меняется и составляет порядка 210 HV. Данный факт подтверждает отсутствие закалки и хорошо коррелирует с результатами металлографического исследования.

Испытание на статическое растяжение стержня проводили на разрывной гидравлической машине РМГ-300МГ4. Результаты испытаний представлены в таблице. Как видно из таблицы металл исследованной шпильки по уровню прочностных и пластических характеристик удовлетворяет требованиям, предъявляемым ГОСТ 1050-2013 к прокату из стали 50.

Для определения характера разрушения было произведено фрактографическое исследование излома на сканирующем электронном микроскопе «Tescan Vega 3SB». Изображения фрактограмм показаны на рисунке.

В ходе фрактографического исследования излома шпильки установлено два очага зарождения трещины, появившиеся в один момент времени, обозначены на рисунке, как Очаг 1 и Очаг 2. В структуре излома очагов хорошо видны вертикальные следы роста трещины, характерные для трещинообразования по типу кручение по вязкому механизму с наличием пластической деформации.

Зона долома имеет мелкозернистый хрупкий рельеф, который свидетельствует о высокой скорости нагружения в момент окончательного разрушения. Высокая скорость разрушения обусловлена потерей устойчивости в сечении, в котором произошло разрушение.

Выводы

В результате комплексного исследования металла разрушенной шпильки установлено:

1. Металл исследованной шпильки по химическому составу удовлетворяет требованиям, предъявляемым ГОСТ 1050-2013 к стали марки 50.
2. Исследуемый образец шпильки имеет феррито-перлитную структуру. Содержание перлита в структуре составляет порядка 70%, средний размер зерна феррита 10 мкм. Перлит находится внутри ферритной оторочки, которая образовалась по границам исходных аустенитных зерен. В поверхностных объемах присутствует обезуглероженный слой глубиной 100 мкм.
3. Твердость по сечению шпильки не меняется и составляет порядка 210 HV. Данный факт подтверждает отсутствие закалки и хорошо коррелирует с результатами металлографического исследования.
4. Металл исследованной шпильки по уровню прочностных и пластических характеристик удовлетворяет требованиям, предъявляемым ГОСТ 1050-2013 к прокату из стали 50.
5. В изломе шпильки присутствуют два очага зарождения трещины, появившиеся в один момент времени. В структуре излома очагов хорошо видны вертикальные следы роста трещины, характерные для трещинообразования по типу кручение по вязкому механизму с наличием пластической деформации. Зона долома имеет мелкозернистый хрупкий рельеф, который свидетельствует о высокой скорости нагружения в момент окончательного разрушения. Высокая скорость разрушения обусловлена потерей устойчивости в сечении, в котором произошло разрушение.

По результатам проведенных исследований можно сделать однозначный вывод о том, что разрушение шпильки произошло в результате превышения нормативного момента затяжки при установке шпильки  в конструкцию. «Перетяг» шпильки привел к трещинообразованию по пластическому механизму с уменьшением несущей способности в рабочем сечении.

<<<предыдущая статья    следующая статья>>>