插片壁虎膨脹釘沖孔掉頭原因分析

陳蔣華， 朱文凱， 王小忠

(中天鋼鐵集團有限公司， 江蘇 常州 213011)

引 言

插片壁虎是一種打入式膨脹釘，其作用是讓各種被固定物體在垂直平面上面牢靠地連結、鎖緊、固定；廣泛使用于在墻體等基礎件上面安裝各種設備及門窗等物品。插片壁虎由膨脹釘與插片組合而成，安裝時需要提前打好合適的孔，插片壁虎放入孔中，將插片壁虎上的插片用錘擊打入即可將插片壁虎固定到墻壁或基礎件上面。采用ML08Al鋼Φ6.5 mm盤條生產插片壁虎膨脹釘的工藝流程：盤條→酸洗磷化→冷拔至Φ5.6 mm→下料，冷鐓帽頭→桿部沖剪→帽頭沖孔→鍍鋅。插片壁虎膨脹釘帽頭部位在沖孔過程中常發生開裂、掉頭的現象。

1 理化分析

1.1 宏觀斷口

插片壁虎宏觀形貌如圖1,2所示。插片壁虎的膨脹釘在其端部帽頭沖孔時發生斷裂，斷裂發生在膨脹釘帽頭與桿部交界處，斷口平整，垂直于軸向，未見明顯塑性變形痕跡，為脆性斷裂斷口。由斷口中放射性擴展棱收斂處可見斷裂源產生于內部，相當于1/3半徑處，再由此向四周邊緣擴展，直致裂穿整個截面，如圖3所示。

圖1 插片壁虎宏觀形貌

圖2 插片壁虎膨脹釘宏觀形貌

圖3 膨脹釘斷裂及斷口形貌

1.2 斷口組織

經掃描電鏡觀察，在圖4中可見膨脹釘帽頭斷口中斷裂源位于內部，斷裂源處未發現有夾渣等冶金缺陷，斷口微觀特征為一種特殊的沿晶斷裂形貌；這種沿晶斷裂形貌沒有呈現常見的多晶體立體感形貌，而是由于斷裂部位因極度變形將晶粒拉長，晶界呈扁平狀,斷裂擴展裂紋沿拉長扁平的晶界分離，使其沿晶斷裂形貌呈現在起伏小的平面上[1]。

圖4 膨脹釘帽頭斷口微觀形貌

1.3 金相組織

將未沖孔膨脹釘在半徑處沿縱向剖開，其帽頭與桿部交界處中部可見因受冷鐓擠壓而呈橫向流線，形成集中變形帶，組織產生了嚴重變形，由于極度變形使晶粒被拉長，晶界呈扁平狀，如圖5，6所示。將沖孔斷裂的膨脹釘帽頭在半徑處沿縱向剖開，可見斷裂發生在集中變形帶處，斷裂裂紋沿著集中變形帶的方向擴展，如圖7，8所示。沖孔斷裂的膨脹釘桿部縱向組織為等軸晶的鐵素體和少量珠光體，但有少量三次滲碳體沿晶界分布，如圖9，10所示。

圖5 未沖孔膨脹釘縱向剖面，帽頭與桿部交界處中部可見橫向集中變形帶(箭頭指處)

圖6 帽頭與桿部交界處中部的橫向集中變形帶集中變形帶的晶粒拉長，晶界呈扁平狀

圖7 沖孔斷裂的膨脹釘帽頭縱向剖面，斷裂面正好處于集中變形帶

圖8 斷裂面邊緣放大,斷裂裂紋沿拉長的變形帶擴展

圖9 斷裂膨脹釘桿部組織

圖10 前圖放大，有少量三次滲碳體沿晶界分布

2 分析與討論

斷口分析表明，斷裂發生在膨脹釘帽頭與桿部交界處，斷口平整，垂直于軸向，未見明顯塑性變形痕跡，為脆性斷裂斷口。由斷口中放射性擴展棱收斂處可見斷裂源產生于內部，相當于1/3半徑處，再由此向四周邊緣擴展，直致裂穿整個截面。通常鉚釘及螺栓在帽頭與桿部交界處產生掉頭的原因與其R圓角處存在折疊或材料組織缺陷等因素有關[2-4]。但觀察了幾十個膨脹釘斷口，發現都斷在帽頭與桿部交界處，斷裂源均在約1/3半徑處的內部，并且斷裂源處未發現有夾渣等冶金缺陷；這些特征信息說明，膨脹釘在沖孔時斷裂不是由表面折疊及粗大夾渣引起的。

膨脹釘斷口微觀特征為一種特殊的沿晶斷裂形貌，這種沿晶斷裂形貌沒有呈現常見的多晶體立體感形貌，而是由于斷裂部位因極度變形使晶粒拉長呈扁平狀, 晶界也拉長呈扁平狀，斷裂擴展裂紋沿拉長扁平的晶界分離，使其沿晶斷裂形貌呈現在起伏小的平面上?？梢姰斪冃瘟窟^大，使晶粒拉長呈扁平狀時，其晶界結合強度很弱。

膨脹釘帽頭與桿部交界處中心區域組織可見因受冷鐓擠壓而轉折形成的橫向流線，因極度變形，使橫向流線區域形成了橫向集中變形帶，顯微組織產生了嚴重變形，晶粒被拉長呈扁平狀；斷裂就發生在集中變形帶處，斷裂裂紋是沿著集中變形帶方向擴展。集中變形帶的產生反映了膨脹釘帽頭冷鐓時初鐓過量，初鐓形成的組織硬化導致后面第2鐓時對材料流變不利，造成帽頭中心區域組織嚴重變形, 組織應力過大, 晶界結合強度減弱[5-6]。

膨脹釘帽頭冷鐓成形時，由于頭部在桿長方向上收到壓縮，中心區域組織可見因受冷鐓擠壓而轉折形成的橫向流線，形成了橫向集中變形帶的纖維組織，使力學性能呈現各向異性，沿著流線的方向具有較高的力學性能，垂直于集中變形帶流線方向的性能非常低，而沖孔時的沖擊應力正好處于集中變形帶的垂直方向。同時，集中變形帶區域的組織應力過大，晶粒被壓成扁平狀，晶界結合強度很弱；而沿晶界分布的少量三次滲碳體將促使在集中變形帶中發生層間位錯及微裂紋。在膨脹釘帽頭沖孔時的外力作用下，首先在這種有微裂紋的集中變形帶上發生開裂，隨后向四周邊緣擴展，直致裂穿整個截面，最終導致膨脹釘產生掉頭現象。

3 結束語

插片壁虎膨脹釘帽頭在沖孔時產生掉頭現象，是由于膨脹釘帽頭部位冷鐓時初鐓變形量較大，在帽頭中心區域形成了橫向集中變形帶；集中變形帶區域的組織應力過大，晶粒被壓成扁平狀，晶界結合強度很弱，容易導致帽頭沖孔過程中發生開裂、掉頭的現象。膨脹釘材料中存在的三次滲碳體促進了集中變形帶中層間位錯及微裂紋的發生。