重要的緊固件：螺栓丨斷裂分析

背景

螺栓作為重要的緊固件,其失效引起的結果往往具有較大的危害性。螺栓斷裂失效原因主要由疲勞或者材料自身缺陷以及對螺栓裝配不當等等。此次失效的產品為斷裂螺栓。

分析測試

1 斷口分析

對斷裂的螺栓斷口進行宏觀形貌觀察，如圖1所示。斷口表面呈灰白色，無明顯腐蝕痕跡（如圖1-A）。螺栓斷面不平整，局部可觀察到存在輕微變形。對殘留在鉸鏈側的螺栓進行低倍觀察，如圖1-B所示。螺栓齒根處均存在周向的裂紋（如圖1-C），局部齒頂可觀察到嚴重的磨損痕跡（如圖1-D）。

斷口表面呈灰白色，無明顯腐蝕痕跡。螺栓斷面不平整，局部可觀察到存在輕微變形。對殘留在鉸鏈側的螺栓進行低倍觀察，如圖1所示。螺栓齒根處均存在周向的裂紋，局部齒頂可觀察到嚴重的磨損痕跡。

圖1 螺栓低倍觀察圖

對斷裂的螺栓斷口進行微觀形貌觀察，如圖2所示。位置A~B為次表面形貌，微觀可見剪切韌窩形貌，裂紋扭轉擴展。位置C處微觀形貌可見等軸韌窩，韌窩變形程度與裂紋源區相比較輕。根據斷裂微觀形貌可知，螺栓本次斷裂為過載斷裂，裂紋起源外表面，呈順時針方向擴展，受周向扭轉與軸向拉伸綜合應力作用下，最終于心部附近發生斷裂。

圖2 螺栓斷口微觀形貌SEM圖

2 金相分析

螺栓未腐蝕態金相中，心部組織存在少量夾雜，未見其他明顯材質缺陷。

螺栓腐蝕態金相中，基體組織為球粒狀珠光體，為球化退火組織，非淬火+回火組織，不滿足GB/T 3098.1-2010 中等級9.8螺栓熱處理工藝為淬火+回火的要求。

圖3 螺栓斷口腐蝕前組織圖

圖4 螺栓斷口腐蝕后組織圖

3 成分分析

螺栓成分測試結果如下表1所示，螺栓試樣滿足GB/T 3077-2015中牌號45Cr的成分要求，非40Cr。

表1 螺栓化學成分結果

4 硬度測試

對螺栓斷口縱截面進行硬度測試，結果如下表2所示。螺栓硬度為213.3HV5，硬度偏低，不滿足 GB/T 3098.1-2010中對于等級9.8螺栓硬度290~360HV要求。等級9.8螺栓要求抗拉強度最低值為900Mpa，根據GB/T 33362-2016螺栓硬度換算強度值約為680Mpa，抗拉強度偏低。

表2 螺栓硬度測試結果

分析與討論

螺栓斷口均主要為韌窩特征，螺栓斷裂性質為過載斷裂。而引起過載斷裂的主要原因有兩個：1、外部因素，裝配時扭矩過大，超過材料極限扭轉斷裂強度；2、內部因素，材料本身問題如成分不合格、熱處理不良、組織缺陷等導致材料本身力學性能等不達標。

從螺栓的螺紋可見磨損和變形痕跡，可推斷斷裂螺栓在安裝過程中由于裝配相對應力較大，導致螺牙發生變形，但也可能是螺栓本身強度也存在不足，導致安裝時相對于合格材料而言應力過大，故仍需對材料本身是否合格進行分析。

螺栓成分為45Cr材料，成分不符合要求，但碳含量高，對強度一定程度起到提高作用，非斷裂原因。

螺栓金相組織為球化退火組織，非淬火+回火組織，熱處理工藝不符合要求。球化退火后形成的粒狀珠光體，而非調質處理后的均勻回火索氏體，不符合40Cr材料調質處理的組織要求。與粒狀珠光體相比，索氏體基體（鐵素體）上均勻分布著細小顆粒狀的碳化物，高硬度的碳化物與具有良好塑性的鐵素體構成的復相組織，使得調質后的螺栓具有良好的韌性、塑性，以及較高的強度、硬度等綜合性能。球化退火組織為球化退火工藝所得，目的是降低硬度，改善切削加工性能，以及獲得均勻的組織，并為最后的調質處理做組織準備，由此推測螺栓熱處理工序可能遺漏。

結論

斷裂螺栓為過載斷裂，其斷裂與過大的裝配應力以及熱處理工藝不符合要求有關。裝配時扭轉應力過大導致過載斷裂是螺栓失效直接原因，其根本原因為螺栓熱處理工藝不符合要求，材料抗拉強度偏低，導致過載斷裂。

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