0 引言

冷镦钢是利用金属的塑性，采用冷镦成型加工工艺生产螺栓、螺母、螺钉、销钉等各类紧固标准件。冷镦工艺的特点是可节省原料，降成本，而且通过冷作硬化提高工件的抗拉强度，改善性能。冷镦钢在冷加工成型过程中变形量很大，一般为60%到70%，最高可达90%，所承受的变形速率很高，因此要求冷镦钢必须具备较好的成型性能和机械性能。其中通条性能要好，钢中S和P等杂质元素要严格控制，对钢材的表面质量要求严格[1,2]。

由冷镦钢加工而成的螺栓紧固件，其头杆结合强度是衡量螺栓质量的主要质量指标。在机械化、自动化大批量产过程中，有时发生螺栓掉头质量问题，造成大批废品。头杆结合处引起断裂常见的原因有两种，一种是材料本身问题：材料中有比较严重的偏析带存在；材料缩孔、疏松、夹杂物等缺陷；材料有过热引起的晶粒粗大组织。另一种是生产工艺缺陷：材料改制过程中临界变形度不合理引起的掉头，原则上，在材料拉拔工序中，严禁采用6%～16%的断面缩减率[3]；材料酸洗、镀锌产生氢脆缺陷引起的掉头；螺栓头下圆角r过小或根本没有圆角引起的掉头，如r角过小，势必应力集中，并有可能使金属纤维折断，从而引起螺栓掉头。某家客户对韶钢生产Φ6.5 mm的SWRCH6A 冷镦钢线材进行冷镦加工制作Φ4.64 mm圆头螺栓，取半成品样进行了头部坚固性试验，实验结果螺栓头部圆头和杆部过渡结合处有开裂现象。针对开裂螺栓进行理化测试，分析冷打掉头的主要原因。

1 头部坚固性试验简介

头部坚固性试验是国标GB/T 3098.1《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中规定的，对d≤10 mm，且长度太短而不能进行楔负载试验的螺栓或螺钉实物所要求的性能试验。用锤击打数次使螺栓或螺钉的头部弯曲90 °-β角。要求在头部支承面与杆部过渡圆处放大8～10倍用目测检查，不得发现裂缝[4]。

自2013年初习近平总书记提出“一带一路”战略构想以来，它就受到了社会的高度关注和回应。“一带一路”也随之成为与中国相关的最热门的词语之一，许多国家尤其是美国一直以来都非常关注中国的发展，都相继对其进行了报道。作为中国最大的项目之一，“一带一路”无疑也受到了中国报纸的大量宣传和报道。但是，新闻报道从来都不是客观的，它们作为政府的工具宣传政策或想法。因此，新闻报道尤其是权威报道可以通过一些语言学的方法和手段来反映政府的观点和意志，从而达到传播思想和影响大众观点的目的。

头部坚固性试验按图1和表1的规定。SWRCH6A冷镦钢级别为5.8级，β数值为80 °。本试验的杆部直径为4.64 mm。本试验中，用锤打击数次使螺栓的头部弯曲10 °，螺栓头部圆头和杆部过渡结合处有肉眼可见的开裂现象。

行动主张：在质量需求的识别过程：建议学院或系部、教研室做好专业需求的社会调研，结合学生层次识别其固有特性满足的程度，确定达到质量要求的任务；在质量目标定义过程：学院、教务处、各系、教研室确定为达到质量要求其任务的目标值应该怎样，注意必须是一个能够量化的指标，以及各教研室根据具体情况，提出更高的质量目标，创造精品教学工程。在质量目标的实现过程：建议学院、教务处、系或教研室制定内控标准，实施目标管理、过程监控，阶段考核，持续改进的方法。

  

图1 头部坚固性试验

 

表1 头部坚固性试验用试验模β角

  

性能等级4．65．64．85．86．88．89．810．912．9/12．9β 60°80°

2 理化检测

2.1 宏观检验

对1#、2#开裂螺栓螺杆部位取横向样，3#未测试螺栓取纵向样进行金相检测。1#样金相组织如图9所示，其中图9(a)为1#螺杆心部组织，组织为铁素体+少量珠光体+少量渗碳体，心部混晶严重，粗晶区晶粒度级别为6.5级，约占截面积的35%，细晶部分晶粒度级别为9.0级，约占截面积的65%。图9(b)为1#螺杆边缘组织，边缘少量晶粒粗大。2#样金相组织如图10所示，其中图10(a)为2#螺杆心部组织，图10(b)为2#螺杆边缘组织，晶粒度级别为9.0级，无混晶现象。将3#螺栓沿头部纵轴线进行线切割，经磨制、抛光、腐蚀后观察头部流线形貌[6]， 3#样头杆结合处纵向金相组织如图11所示，其中图11(a)为3#螺栓头杆结合处一侧边缘组织，图11(b)为3#螺栓头杆结合处另一侧边缘组织，3#螺栓夹杂物评级B1.0级，D1.0级，螺栓头部与杆部结合处组织变形严重，头杆结合处几乎无圆角。

  

图2 圆头螺栓开裂形貌

  

图3 开裂螺栓杆部断口形貌

  

图4 1#开裂螺栓头部断口形貌

  

图5 1#开裂螺栓裂纹源形貌

  

图6 2#开裂螺栓头部断口形貌

  

图7 2#开裂螺栓裂纹源形貌

 

图8 螺栓解理断口上的河流花样

选取的未测试的完好螺栓，纵向下螺栓头杆结合处无异常夹杂。螺栓头杆截面的急剧变化和头杆变形性质的不同，产生很大的应力集中；同时螺栓头部与杆部过渡区几乎无圆角，造成头杆结合处金属流线被折断[7]。由于成形工艺不当，使螺栓头部流线不合格，在头部坚固性试验及使用中容易发生掉头现象[8]。

2.2 金相检验

选取该批次的2个开裂螺栓，编号为1#、2#，采用莱卡DVM6 3D体视显微镜及蔡司EVO 18扫描电镜对开裂试样进行形貌观察。圆头螺栓开裂形貌、开裂螺栓杆部断口形貌、 1#开裂螺栓头部断口形貌、 1#开裂螺栓裂纹源形貌， 2#开裂螺栓头部断口形貌，2#开裂螺栓裂纹源形貌，螺栓解理断口上的河流花样分别如图2～图8所示。

制作：1.把鸡肉切成1.5 cm见方的丁，用少许精盐、料酒、味精和水淀粉兑成味汁待用。2.锅中放油烧温热：花生米下锅炸熟捞起，留少许余油，把干红辣椒、花椒入锅稍炒，待呈深红色逸出香味时，鸡丁下锅炒散。葱、蒜、姜下锅稍炒，烹入味汁，炒熟，放入花生米炒匀即可。

  

(a) 心部组织(100×)

  

(b) 边缘组织(100×)图9 1#螺杆金相组织

  

(a) 心部组织(100×)

  

(b) 边缘组织(100×)图10 2#螺杆金相组织

  

(a) 一侧边缘组织(50×)

  

(b) 另一侧边缘组织(100×)图11 3#样头杆结合处的金相组织

2.3 硬度检验

两个头部坚固性试验开裂螺栓，均在头杆结合处开裂，裂纹源均位于螺栓边缘，裂纹源附近无大尺寸夹渣，断口整体为解理断口，其中一个螺栓心部有混晶现象，另一个螺栓未发现混晶，但测试过程中都发生断裂，经维氏硬度检测，心部粗晶区与边缘细晶区硬度均无明显差异，说明混晶对该材料的塑性指标等的影响较小，组织混晶不是该批次螺栓头部坚固性试验掉头的主要因素。

 

表2 1#、2#螺栓维氏硬度检测结果 / HV2

  

编号位置123平均值极差1#心部粗晶185．14186．98189．58187．234．44边缘细晶183．13180．18180．98181．432．952#心部191．04193．78194．21193．013．17边缘191．00195．08188．8191．636．28

 

表3 3#螺栓维氏硬度检测结果 / HV2

  

编号位置123456789平均值极差一侧边缘209．13213．51231．35188．59174．28178．35183．06179．51179．26193．0057．073#心部191．12207．8239．5183．5184．8187．9182．75188．39189．78195．0656．75另一侧边缘206．63224．01235．49179．9183．61177．63178．98184．99179．65194．5457．86

从表2、表3可以看出，1#螺栓心部粗晶区与边缘细晶区维氏硬度相差5.8 HV2，均匀性非常好，甚至在检测误差范围内。2#螺栓心部与边缘维氏硬度相差1.38 HV2。3#螺栓心部及边缘从头部到杆部硬度均为先增大后减小，最后趋于平直，两侧边缘均在头杆结合处硬度值达到最大。

3 分析及讨论

3.1 混晶对螺栓测试影响

采用INNOVATEST FALCON 500显微维氏硬度计对1#螺栓心部粗晶区与边缘细晶区、2#螺栓心部及边缘、3#螺栓头部到杆部进行维氏硬度HV2检测，测试材料混晶处粗晶区和细晶区硬度差异。1#、2#样维氏硬度检测结果见表2，3#样维氏硬度检测结果见表3。

3.2 圆角对螺栓测试影响

从图2～图8可以看出，1#、2#均沿头杆结合处开裂，3#头杆结合处未见明显缺陷。1#、2#开裂螺栓裂纹源均位于螺栓边缘，裂纹源附近未见大尺寸夹渣，断口整体为解理断口[5]。

3.3 最大变形区对螺栓测试影响

对未测试的完好螺栓进行纵向金相检测及硬度检测，发现螺栓头杆结合处的组织变形最严重，该处的硬度比基体的硬度高约50 HV2～60 HV2，这说明该处加工硬化最为严重，极大的增加了该处的应力集中。

4 结论

螺栓坚固性试验掉头的主要原因是头杆结合处无r角，同时该处为螺栓最大变形区，两者共同作用导致坚固性试验时，螺栓头杆结合处出现脆性开裂现象。

为了检验改造后大直径旋流器的分级效果，对改造前后旋流器底流、溢流进行了多个班次不同入料压力的采样分析，结果见表3和表4。

建议客户在对SWRCH6A进行冷镦成型时，采用具有适当r角的冷镦模具，为削弱转角处应力集中，可在标准允许范围内增大头下圆角，头下圆角尽量靠近标准上限规定[9]；同时建议客户采用多工位倒初冲冷镦机冲打螺栓，使螺栓头内最大变形区上移[10]。

5 参考文献

[1] 罗新中,林晏民,潘逸飞.SWRCH18A冷镦钢镦制螺钉原因分析[J].失效分析与预防,2016,11 (6):372.

[2] 张先鸣.我国冷镦钢的现状和发展[J].金属制品,2009,35(2):44.

[3] 孙清汝,袁福东,王涛,等.普通螺栓掉头补救措施的探讨[J].金属加工(热加工),2015(1):52.

[4] GB/T3098.1-2010 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱[S].北京:中国标准出版社,2010：29-30.

[5] 崔约贤,王长利.金属断口分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2006：60-65.

[6] 刘帮平,谌曲平,袁鹏.螺栓冷镦缺陷分析与模具改进[J].金属加工(冷加工),2014(5)：60.

[7] 陶春虎,刘高远,恩云飞,等.军工产品失效分析技术手册[M].北京:国防工业出版社,2009,371-383.

[8] 陈琦峰.螺栓掉头原因分析[J].金属制品,2010,36(2):72.

[9] 戴根祥.浅谈金属流线对冷镦螺栓头部质量的影响[J].紧固件技术,1993(1):30-32.

[10] 付作平.浅析冷镦螺栓掉头的原因及改善措施[J].紧固件技术,2005(3):5-7.