重要的紧固件：螺栓丨断裂分析

背景

螺栓作为重要的紧固件,其失效引起的结果往往具有较大的危害性。螺栓断裂失效原因主要由疲劳或者材料自身缺陷以及对螺栓装配不当等等。此次失效的产品为断裂螺栓。

分析测试

1 断口分析

对断裂的螺栓断口进行宏观形貌观察，如图1所示。断口表面呈灰白色，无明显腐蚀痕迹（如图1-A）。螺栓断面不平整，局部可观察到存在轻微变形。对残留在铰链侧的螺栓进行低倍观察，如图1-B所示。螺栓齿根处均存在周向的裂纹（如图1-C），局部齿顶可观察到严重的磨损痕迹（如图1-D）。

断口表面呈灰白色，无明显腐蚀痕迹。螺栓断面不平整，局部可观察到存在轻微变形。对残留在铰链侧的螺栓进行低倍观察，如图1所示。螺栓齿根处均存在周向的裂纹，局部齿顶可观察到严重的磨损痕迹。

图1 螺栓低倍观察图

对断裂的螺栓断口进行微观形貌观察，如图2所示。位置A~B为次表面形貌，微观可见剪切韧窝形貌，裂纹扭转扩展。位置C处微观形貌可见等轴韧窝，韧窝变形程度与裂纹源区相比较轻。根据断裂微观形貌可知，螺栓本次断裂为过载断裂，裂纹起源外表面，呈顺时针方向扩展，受周向扭转与轴向拉伸综合应力作用下，最终于心部附近发生断裂。

图2 螺栓断口微观形貌SEM图

2 金相分析

螺栓未腐蚀态金相中，心部组织存在少量夹杂，未见其他明显材质缺陷。

螺栓腐蚀态金相中，基体组织为球粒状珠光体，为球化退火组织，非淬火+回火组织，不满足GB/T 3098.1-2010 中等级9.8螺栓热处理工艺为淬火+回火的要求。

图3 螺栓断口腐蚀前组织图

图4 螺栓断口腐蚀后组织图

3 成分分析

螺栓成分测试结果如下表1所示，螺栓试样满足GB/T 3077-2015中牌号45Cr的成分要求，非40Cr。

表1 螺栓化学成分结果

4 硬度测试

对螺栓断口纵截面进行硬度测试，结果如下表2所示。螺栓硬度为213.3HV5，硬度偏低，不满足 GB/T 3098.1-2010中对于等级9.8螺栓硬度290~360HV要求。等级9.8螺栓要求抗拉强度最低值为900Mpa，根据GB/T 33362-2016螺栓硬度换算强度值约为680Mpa，抗拉强度偏低。

表2 螺栓硬度测试结果

分析与讨论

螺栓断口均主要为韧窝特征，螺栓断裂性质为过载断裂。而引起过载断裂的主要原因有两个：1、外部因素，装配时扭矩过大，超过材料极限扭转断裂强度；2、内部因素，材料本身问题如成分不合格、热处理不良、组织缺陷等导致材料本身力学性能等不达标。

从螺栓的螺纹可见磨损和变形痕迹，可推断断裂螺栓在安装过程中由于装配相对应力较大，导致螺牙发生变形，但也可能是螺栓本身强度也存在不足，导致安装时相对于合格材料而言应力过大，故仍需对材料本身是否合格进行分析。

螺栓成分为45Cr材料，成分不符合要求，但碳含量高，对强度一定程度起到提高作用，非断裂原因。

螺栓金相组织为球化退火组织，非淬火+回火组织，热处理工艺不符合要求。球化退火后形成的粒状珠光体，而非调质处理后的均匀回火索氏体，不符合40Cr材料调质处理的组织要求。与粒状珠光体相比，索氏体基体（铁素体）上均匀分布着细小颗粒状的碳化物，高硬度的碳化物与具有良好塑性的铁素体构成的复相组织，使得调质后的螺栓具有良好的韧性、塑性，以及较高的强度、硬度等综合性能。球化退火组织为球化退火工艺所得，目的是降低硬度，改善切削加工性能，以及取得均匀的组织，并为最后的调质处理做组织准备，由此推测螺栓热处理工序可能遗漏。

结论

断裂螺栓为过载断裂，其断裂与过大的装配应力以及热处理工艺不符合要求有关。装配时扭转应力过大导致过载断裂是螺栓失效直接原因，其根本原因为螺栓热处理工艺不符合要求，材料抗拉强度偏低，导致过载断裂。

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