由壬断裂失效分析

    一、断裂由壬状态描述
由壬螺母于 2004 年7月开始使用，于 2006 年 12 月发生断裂，如图 1 所示。由壬型号相当于 SY/T5211-2003 中的YR70-3，即最大工作压力为 70MPa，公称通径为 76.2mm， 旋紧扭距为2400~3000 N·m。断裂发生在梯形螺纹第三扣处，为横向断裂。

图1

图2
二、由壬断口分析
断口的宏观形貌如图3所示，宏观形貌呈典型疲劳断口形貌。断口右侧光滑，为裂纹扩展区，左侧粗糙为瞬断区，裂纹源位于右边耳附近内螺纹第三扣处根部。在交变应力的作用下，裂纹（光滑的断面）不断扩展，直到断面不足以承受压力的作用而发生突然断裂，断口形貌清晰可见。

图3 断裂由壬的宏观形貌
从断裂的由壬上切取金相试样时，发现螺纹起始端根部至外圆有一条穿透裂纹，切割后螺纹的一部分已断裂（如图4和图5所示）。将其从本体上取下，发现断口呈光滑圆弧状，也呈现疲劳断口型貌。由于断裂螺纹长度仅有约40mm，因此可以推断断裂是其原始缺陷造成的，也就是说螺纹根部有原始的微裂纹，在交变应力的作用下，裂纹不断扩展，直到穿透至外圆。
三、断裂由壬材质分析
1、化学成分
从由壬上取样进行材质分析，测得的各元素含量列于表1。

图4 螺纹跟部的断裂

图5 断下的螺纹
表1接箍材质的化学成分

从材质来看，应该是美国的钢号4140，类似于国产的 40CrMnMo，P、S等有害元素无超标现象。
2、金相组织
在失效由壬断裂面附近取样进行金相分析，分别测量晶粒度和组织形貌。其中晶粒度评定按 GB/T 6394 标准执行，显微组织分析按 GB/T 13298 标准执行。试验在 OLYMPUS 显微镜上观察并摄取，结果见表2和图4。
表2 金相分析结果

经检测硬度值为HRC28。从图6可以看出，晶粒均匀，晶粒度小，说明组织正常。

图6 由壬金相组织
四、由壬断裂原因分析
从图 3 由壬的断裂面可以看出，由壬完全断裂快速突然，右侧裂纹源区及扩展源区颜色较深，说明裂纹是由裂纹源逐步扩展生长的，在交变载荷的作用下，挤压形成光滑表面。裂纹扩展到一定阶段，不足以承受外力的作用时，突然发生脆性断裂。断口可见撕裂脊，其余部位比较平整，且断裂后的表面呈现细瓷状，为出脆性断裂的特征。尽管断下的螺纹不在由壬螺母断裂部位，但可以证明由壬螺母的螺纹根部存在原始缺陷。
五、结论
由壬的化学成分、金相组织和硬度正常；螺纹根部的原始缺陷是由壬螺母断裂的重要原因。