螺栓断裂分析课件
螺栓断口失效分析
1、解理断裂（大多数情况下为脆性断裂）2、剪切断裂1、静载断裂（拉伸断裂、扭转断裂）2、冲击断裂3、疲劳断裂1、低温冷脆断裂2、静载延滞断裂（静载断裂）3、应力腐蚀断裂4、氢脆断裂断口微观形貌（图3/4/5/6），断口呈脆性特征，表面微观形貌为冰糖状沿晶断裂，芯部为沿晶+准解理断裂，在断裂的晶面上有细小的发纹状形貌。
结论：零件为沿晶断裂的脆性断口。
断口呈脆性特征，表面微观形貌沿晶断裂，芯部为准解理断裂；终断区（图4）微观为丝状韧窝形貌，为最终撕裂区结论：断口为脆性断裂宏观断口无缩颈现象且微观组织多处存在剪切韧窝形貌，为剪切过载断裂断口。
综上分析：零件为氢脆导致的断裂，氢进入钢后常沿晶界处聚集，导致晶界催化，形成沿晶裂纹并扩展，导致断面承载能力较弱，最终超过其承载极限导致断裂典型氢脆断口的宏观形貌如右图所示：氢脆又称氢致断裂失效是由于氢渗入金属内部导致损伤，从而使金属零件在低于材料屈服极限的静应力持续作用下导致的失效。
氢脆多发生于螺纹牙底或头部与杆部过渡位置等应力集中处。
断口附近无明显塑性变形，断口平齐，结构粗糙，氢脆断裂区呈结晶颗粒状，一般可见放射棱线。
色泽亮灰，断面干净，无腐蚀产物。
应力腐蚀也属于静载延滞断裂，其断口宏观形貌与一般的脆性断口相似，断口平齐而光亮，且与正应力相垂直，断口上常有人字纹或放射花样。
裂纹源区、扩展区通常色泽暗灰，伴有腐蚀产物或点蚀坑，离裂纹源区越近，腐蚀产物越多。
应力腐蚀断面最显著宏观形貌特征是裂纹源表面存在腐蚀介质成分贝纹线是疲劳断口最突出的宏观形貌特征，是鉴别疲劳断口的重要宏观依据。
如果在宏观上观察到贝壳状条纹时，在微观上观察到疲劳辉纹，可以判别这个断口属于疲劳断口。
螺栓断裂原因及处理方案
某项目现场变桨轴承与轮毂连接螺栓发生多台次断裂，且螺栓为同一批次。
螺栓断裂原因：断裂螺栓心部硬度明显偏低，不符合订货技术要求；在 金相显微镜下，发现心部为回火索氏体和大量残余奥氏体，属于螺栓质 量问题。
3/17/2015
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3/17/2015
No. 13
金风科技
螺栓断裂原因：机组运行时，螺栓应力幅值过大，现场更换螺栓时未按 要求进行“十”字交叉紧固，造成法兰面间存在间隙。
3/17/2015
Mechanical Laod test
3/17/2015
No. 9
金风科技
3、螺栓断裂原因及案例分析
案例二
某项目现场叶片与轮毂连接螺栓频繁发生断裂，现场检查时发现该位置螺 栓有松动迹象。
杂、间隙等。 5) 登机检查时注意断裂螺栓位置法兰与螺杆是否存在干涉的情况。 6) 关注同批次多颗螺栓断裂的问题。
3/17/2015
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3/17/2015
No. 8
金风科技
3、螺栓断裂原因及案例分析
案例一
某项目现场偏航轴承与底座连接螺栓频繁发生断裂，现场检查时发现偏航 轴承与底座连接面有渗油情况。
4、处理螺栓断裂的几种方法
1) 如果空间足够可以将螺栓改成双头螺柱。 2) 使用加厚垫圈，将原有连接螺栓加长。 3) 采用特质的受拉螺母结构。 4) 如果确定是螺栓强度不够，可以使用强度更高的螺栓。 5) 对机组进行应力幅或载荷测试，找到螺栓断裂的真正原因，再进行处理。
3/17/2015
Mechanical Laod test
螺栓断裂原因及处理方案
目录
1、螺栓连接受力形式及预紧力分析 2、螺栓断裂分析注意事项 3、螺栓断裂原因及案例分析 4、处理螺栓断裂的几种方法
螺栓断裂原因分析
螺栓断裂原因的分析一般情况下，我们对于螺栓断裂从以下四个方面来分析：第一、螺栓的质量第二、螺栓的预紧力矩第三、螺栓的强度第四、螺栓的疲劳强度实际上，螺栓断裂绝大多数情况都是因为松动而断裂的，是由于松动而被打坏的。
因为螺栓松动打断的情况和疲劳断裂的情况大体相同，最后，我们总能从疲劳强度上找到原因，实际上，疲劳强度大得我们无法想象，螺栓在使用过程中根本用不到疲劳强度。
一、螺栓断裂不是由于螺栓的抗拉强度：以一只M20×80的8.8级高强螺栓为例，它的重量只有0.2公斤，而它的最小拉力载荷是20吨，高达它自身重量的十万倍，一般情况下，我们只会用它紧固20公斤的部件，也只使用它最大能力的千分之一。
即便是设备中其它力的作用，也不可能突破部件重量的千倍，因此螺纹紧固件的抗拉强度是足够的，不可能因为螺栓的强度不够而损坏。
二、螺栓的断裂不是由于螺栓的疲劳强度：螺纹紧固件在横向振松实验中只需一百次即可松动，而在疲劳强度实验中需反复振动一百万次。
换句话说，螺纹紧固件在使用其疲劳强度的万分之一时即松动了，我们只使用了它大能力的万分之一，所以说螺纹紧固件的松动也不是因为螺栓疲劳强度。
三、螺纹紧固件损坏的真正原因是松动：螺纹紧固件松动后，产生巨大的动能mv2，这种巨大的动能直接作用于紧固件及设备，致使紧固件损坏，紧固件损坏后，设备无法在正常的状态下工作，进一步导致设备损坏。
受轴向力作用的紧固件，螺纹被破坏，螺栓被拉断。
受径向力作用的紧固件，螺栓被剪断，螺栓孔被打成橢圆。
四、选用防松效果优异的螺纹防松方式是解决问题的根本所在：以液压锤为例。
GT80液压锤的重量是1.663吨，其侧板螺栓为7套10.9级M42螺栓，每根螺栓的抗拉力为110吨，预紧力取抗拉力一半计算，预紧力高达三、四百吨。
但是螺栓一样会断，现在准备改成M48的螺栓，根本原因是螺栓防松解决不了。
螺栓断裂，人们最容易得出的结论是强度不够，因而大都采用加大螺栓直径强度等级的办法。
六角头螺栓断裂分析
六角头螺栓断裂分析接到客户的质量反馈，重载矿山机械车辆轴承包紧固螺栓断裂导致轴承包脱落，现场反馈如下:是什么原因导致的螺栓断裂？是螺栓本身存在质量缺陷还是其他原因引起的连锁反应呢？我们一起探讨下...一、理化检验◆ 宏观检测a. 失效螺栓断裂形态见下图：观察图片，可见失效螺栓锈蚀严重，断裂位置存在明显的缩颈变形（红色虚线区域）。
失效螺栓断裂位置存在缩颈，说明螺栓在断裂之前承受了较大的拉应力而不是突然出现的脆性断裂。
b. 失效螺栓断面形态见下图：观察失效螺栓断口宏观形貌，断口较平整，存在明显的剪切唇，部分区域呈波纹状花纹，将断口分为源裂纹区（红色虚线区域）、裂纹扩展区（波纹状花纹）、最后断裂区（绿色虚线区域）。
源裂纹区位于螺纹根部表面，锈蚀严重且锈迹向螺栓中心位置扩散，存在较大剪切唇。
结合螺栓实际安装位置，分析该区域在断裂之前，承受了一定的剪切力导致此位置出现裂纹，在使用过程中裂纹逐渐扩散，最终发生断裂。
◆ 化学成分分析使用光谱仪对失效样品进行化学成分检测，检测结果见下表：比照GB/T 3077-2015标准，该物料材质应该为40Cr合金钢，该材质满足标准ISO 898-1中规定的10.9级螺栓材质要求以及热处理性能要求。
◆维氏硬度检测使用HV30硬度仪对失效样品进行检测，并与发货时原始数据比对，ISO 898-1标准要求10.9级螺栓维氏硬度（≥HV10）为320HV-380HV,检测结果见下表：拉伸实验检测取同批次未断裂螺栓一支进行拉伸实验，检测结果为1136.8Mpa，大于标准ISO 898-1要求的1040Mpa，抗拉强度合格。
-20℃冲击试验检测取同批次未断裂螺栓一支进行-20℃冲击试验，检测结果为58.75J，大于标准ISO 898-1要求的27J，-20℃冲击合格。
金相检测使用金相显微镜对失效件样品金相组织进行检测（500X），检测结果见下图：可见螺栓金相组织为典型的回火屈氏体组织，碳化物分布均匀，组织无明显异常。
螺栓断裂原因分析
螺栓断裂原因分析螺栓的抗拉强度比想象中强得多，以一只M20×80的8.8级高强螺栓为例，它的重量只有0.2公斤，而它的最小拉力载荷是20吨，高达它自身重量的十万倍，一般情况下，我们只会用它紧固几十公斤的部件，只使用它最大能力的千分之一。
即便是设备中其它力的作用，也不可能突破部件重量的千倍，因此螺栓的抗拉强度是足够的，不可能因为螺栓的强度不够而损坏。
很多螺栓断裂的最终分析认为是超过螺栓的疲劳强度而损坏，但是螺栓在横向振松实验中只需一百次即可松动，而在疲劳强度实验中需反复振动一百万次才会损坏。
换句话说，螺栓在使用其疲劳强度的万分之一时即松动了，我们只使用了螺栓能力的万分之一，所以说螺栓的损坏也不是因为螺栓疲劳强度。
静态紧固用螺栓很少会自行松动，也很少出现断裂情况。
但是在冲击，振动，变载荷情况下使用的螺栓就会出现松动和断裂的情况。
所以我认为螺栓损坏的真正原因是松动。
螺栓松动后，螺纹和连接件之间产生微小间隙，冲击和振动会产生巨大的动能mv^2，这种巨大的动能直接作用于螺栓，受轴向力作用的螺栓可能会被拉断。
受径向力作用的螺栓可能会被剪断。
因此设计时，对于关键的运动部位的连接紧固要注意防松设计。
自锁螺母尼龙锁紧螺母以上为两种形式的锁紧螺母。
对于弹簧垫片的放松效果，一直存在争议。
弹簧垫圈的放松原理是在把弹簧垫圈压平后，弹簧垫圈会产生一个持续的弹力，使螺母和螺栓连接副持续保持一个摩擦力，产生阻力矩，从而防止螺母松动。
同时弹簧垫圈开口处的尖角分别嵌入螺栓和被连接件的表面，从而防止螺栓相对于被连接件回转。
以M16螺栓连接为例，实验显示用约10N.m的螺栓预紧力矩就可以将16弹簧垫圈完全压平。
弹簧垫圈只能提供10N.m的弹力，而10N.m的弹力对于280N.m的螺栓预紧力矩来说可以忽略，其次，这么小的力，不足以使弹簧垫圈切口处的尖角嵌入螺栓和被连接件表面。
折卸后观察，螺栓和被连接件表面都没有明显的嵌痕。
所以，弹簧垫圈对螺栓的防松作用可以忽略。
螺栓断裂分析报告
螺栓断裂分析报告一、引言螺栓是一种常见的连接元件，在机械设备和结构工程中得到广泛应用。
然而，螺栓在使用中可能会发生断裂，给机械设备和结构的安全运行带来隐患。
本报告旨在对螺栓断裂进行分析，并提供解决方案，以确保设备和结构的安全性。
二、螺栓断裂原因分析1.质量问题：螺栓断裂可能是由于螺栓本身存在质量问题所致，如材料强度不符合标准、制造工艺不良等。
为此，应关注螺栓的采购渠道和制造工艺，并严格按照相关标准进行选择和检测。
3.腐蚀问题：腐蚀是导致螺栓断裂的常见原因之一、在潮湿、酸性或碱性环境中，螺栓易受到腐蚀，使其材料的强度降低。
因此，在腐蚀环境中应选择抗腐蚀性能良好的螺栓材料，并进行定期维护保养。
4.紧固力不均匀：不正确的紧固力分布可能导致螺栓在负载过程中承受不均匀的力，从而引发断裂。
在安装过程中，应根据设备或结构的要求，采用正确的紧固力分布方案，并进行定期检查和调整。
三、螺栓断裂的解决方案1.优化选材：根据设备或结构的负荷、工作环境等要求，选择合适的螺栓材料。
关注材料的强度、韧性、抗腐蚀性等指标，并遵循标准进行选材。
2.合理设计螺栓连接：根据实际负荷情况和工作要求，合理选用螺栓的规格、数量和布置方式，并确保紧固力的均匀分布。
在设计过程中，可以借助有限元分析等工具来验证螺栓连接的安全性。
3.定期检查和维护：对于暴露在恶劣环境中的螺栓，应定期进行检查和维护，特别是针对腐蚀环境。
清洁螺栓表面，涂覆抗腐蚀涂层，必要时更换受损螺栓，以延长其使用寿命。
4.强化管理和培训：通过建立规范的螺栓管理制度和培训机制，提高操作人员的专业水平，加强螺栓使用和维护的知识宣传，以减少螺栓断裂的发生。
四、结论螺栓断裂是机械设备和结构工程中常见的问题，但可以通过合理选材、优化设计、定期维护和加强管理来减少其发生。
对于已经断裂的螺栓，应及时进行更换，并对其断裂原因进行调查分析，以避免类似问题再次发生。
通过以上措施的综合应用，能够提高螺栓连接的安全性和可靠性，保证设备和结构的正常运行。
螺栓断裂原因
高强螺栓断裂原因分析
经过我司技术人员分析，螺栓断裂的可能原因如下:
①是由于机组运行时轴发生窜动，导致螺栓在非受力面发生产生载荷并断裂。
表1为联轴器螺栓发生断裂的可能原因及处理方案。
由于螺栓断裂位置为非受力面，建议贵司对于联轴器进行找正安装。
②疲劳断裂。
从图1可以看出螺栓断裂面位于螺纹的根部并且断裂面无颈缩，从断裂纹判断断裂原因为疲劳断裂。
断裂位置为螺纹根部且为圆角刀槽，如无断裂痕迹此处不应该为应力集中位置，而且夹紧膜片的薄垫也发生断裂，由此判断是由于在安装时没有按照要求施加了过大的预紧力矩，认为预紧力矩越大越好，导致在断裂位置形成肉眼不可见的微小裂痕。
在机组运行中变化的载荷在此位置逐渐形成较大的应力集中，最后导致螺栓发生疲劳断裂。
③该驱动螺栓采用的材料为35CrMo，调制后硬度达到HRC30~35，强度达到10.9级，螺栓出厂前经过多道检验工序检验并且合格才准许出厂。
螺栓断裂分析课件
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２ 分析与讨论
（1）螺栓断口无明显的宏观塑性变形，裂纹扩展区面积较大，且较平整， 有明显的疲劳弧线，瞬断区面积较小，结合３５ＣｒＭｏ螺栓的工作状态可 以判断，该螺栓的断裂性质为低应力疲劳断裂。
（2）经裂纹宏观与微观形貌观察，发现几乎每个螺纹牙底都分布着细长的 热处理裂纹。裂纹开口端较宽，尾部细长曲折，呈沿晶断裂，为典型的热处 理裂纹形貌。
螺栓断裂分析
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螺栓断裂分析
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螺栓断裂分析
图7 螺栓心部的显微组织
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另外在螺纹的表面也发现了如图8所示的不光滑起皮 现象，截取端面研磨后置于光学显微镜下观察，发现在如 图9中箭头所指处的螺纹表面存在大量 折叠缺陷。折叠缺 陷是由于螺纹表层在滚压过程中受到挤压力而产生的重叠 层。
图8 螺纹表面的起皮现象
纵剖面热处理裂纹的未侵蚀形貌
图６ 沿晶热处理裂纹侵蚀后的形貌
螺栓断裂分析
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１.３ 显微组织及显微硬度检测
螺栓的热处理工艺为调质处理，显 微组织为正常的回火索氏体（图7）， 符合调质处理的显微组织状态。回火索 氏体是马氏体的一种回火组织，是铁 素体与粒状碳化物的混合物，具有良好 的韧性和塑性，同时具有较高的强度和 硬度，具备良好的综合力学性能。对螺 栓心部进行维氏硬度检测，检测结果为 ４１１ＨＶ，符合相关标准中硬度 ＞ ３１８ＨＶ的要求。
（3）另外发现螺纹表面不光滑，主要是由于螺栓的滚压工艺不当，造成了 折叠、起皮等缺陷所致。
螺栓断裂分析
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３ 结论
３５ＣｒＭｏ螺栓的断裂性质为低应力疲劳断裂。该螺栓在 制造过程中由于热处理及滚压工艺不当，造成了大量的裂纹和缺陷， 这些裂纹和缺陷存在很大的应力集中，成为疲劳裂纹源，在循环应 力的作用下裂纹逐渐扩展，最终发生了疲劳断裂。
U型螺栓疲劳断裂分析
问题描述：
8月31日反馈断裂
断口
9月9日反馈断裂
断口
断口状态：
8月31日反馈的断口状态
9月9日反馈的断口状态
断口分析：
Hale Waihona Puke 根据断裂力学的相关文献记载，疲劳破坏的断 口与一般脆性破坏的断口不同，一般脆性破坏的断 口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而 疲劳破坏的主要断口特征是放射性和年 轮状花纹。
空间太小，存 在摩擦磕碰
零件多处产生摩 擦磕碰腐蚀点
U型螺栓疲劳失效产生分析：
装配 结构
受力面重心偏 移后的压痕
受受力力面面重偏心移偏 移两后边的不压对痕称
最终结论：
根据我公司对故障件进行常规检测后，其材质、性能、硬度、金相组 织均能符合设计要求。（详见附件：检测记录照片）
最终我们根据贵公司所寄故障件的断口失效形态，以及贵公司所传递 的现场装配部位照片，最后结合相关文献分析后发现如下几点问题：
容许应力幅模拟计算：
例如：已知钢筋受轴心拉力，截面为φ14，材料40Cr，硬度27-32HRC，性能等级 9.8级，抗拉强度≥900Mpa=138KN，保证应力≥650Mpa=100KN 。 1、假设，材料承受重复负载，循环次数为 n=106 次。 2、假设，材料质量等级一级，计算疲劳时属于第3类。 【解】由表2.1，查得C=3.26×1012 ， β=3
杠杆 重心
应力集中点
2、假设，应力集中点内侧受空间及外部因 轴
素因素产生磕碰或腐蚀，此时将给疲劳源
向 拉
区的生成创造条件；
力
U型螺栓
受力面 磕碰腐蚀点
145mm
3、当受力面重心偏移，应力点产生磕碰腐 蚀，此时容许应力幅将大幅度下降，造成 设计应力幅的疲劳强度无法满足要求。
螺栓的氢脆断裂分析
螺栓的氢脆断裂分析螺栓的氢脆断裂是指螺栓在受到氢的腐蚀作用或吸附后，因为氢的存在而引起的断裂现象。
由于氢的小分子尺寸，能够渗透到很多材料中，包括钢材，导致螺栓的氢脆断裂。
氢脆断裂对于螺栓的使用和安全性具有严重影响，因此对其进行分析和预防非常重要。
氢脆断裂的原因可以分为内在原因和外在原因。
内在原因是指材料本身的特性，如材料的晶粒尺寸、合金成分等。
外在原因则是指外部环境对于材料的影响，如温度、湿度、应力等。
首先，氢的渗透是氢脆断裂的关键因素之一、当螺栓表面存在细小的裂纹、孔洞或者较高的应力时，氢能够从周围环境渗透到螺栓中。
渗透的氢原子会进入晶格中，并与材料中的金属原子结合成氢化物。
氢化物形成后，会导致晶格内的应力增大，从而使螺栓变脆并发生断裂。
其次，氢的吸附也是氢脆断裂的重要原因之一、当螺栓表面暴露在含有氢的环境中时，氢原子会吸附在螺栓表面上。
吸附的氢原子会与金属原子结合，并形成氢化物。
这些氢化物的形成会导致螺栓的变脆和断裂。
氢脆断裂的发生与材料的化学成分也有关系。
一些高强度钢材中的合金元素，如锰、硅、铝等，可以减少氢脆的发生。
这是因为合金元素会与氢原子结合形成稳定的化合物，减少氢的渗透和吸附。
在预防螺栓的氢脆断裂中，需要注意以下几点：1.控制氢的渗透和吸附。
可以采用合理的防腐措施，如使用防腐涂层、隔离层等，阻止氢的渗透和吸附。
2.控制螺栓表面的应力。
可以通过合适的螺栓设计和安装方式，减少螺栓表面的应力集中，降低氢的渗透和吸附的可能性。
3.控制材料的成分。
选择合适的材料和合金元素，减少氢脆的发生。
4.对于容易受到氢脆影响的螺栓，在生产和使用过程中应进行严格的检测和监控，及时发现和处理有问题的螺栓，确保使用安全。
总之，螺栓的氢脆断裂是一种非常危险的现象，会对螺栓的使用和安全造成严重影响。
为了预防螺栓的氢脆断裂，需要综合考虑材料的性质、环境因素和设计等多个因素，并采取相应的防腐措施和预防措施，以确保螺栓的使用安全。
螺栓断裂的形式
一、拉伸断裂
拉伸断裂是指螺栓在受到拉伸应力作用下断裂。
这种断裂形态通常是呈现一条明显的断口，呈现出清晰的颗粒状断面。
螺栓的拉伸断裂通常发生在螺栓的颈部和螺纹部分，原因是这些区域的应力集中。
拉伸断裂的原因很多，可能是由于负荷过大、安装不当、事故及腐蚀等。
为了避免拉伸断裂的发生，应按照规范正确安装和使用螺栓，并使用合适的材料。
二、剪切断裂
剪切断裂是指在受到剪切应力的作用下，螺栓发生断裂。
这种断裂形态不同于拉伸断裂，通常会呈现出交错的齿状断口。
剪切断裂的原因可能包括负荷过大、疏忽或安装不当、材料不当等。
预防剪切断裂，应使用合格的螺栓，材料应该符合规范，安装应该完全遵循标准规定。
三、疲劳断裂
疲劳断裂是指螺栓在受到持续循环应力作用下逐渐疲劳导致的断裂。
这种形态的断口表现比较复杂，有时候断口会呈现出逐渐变细的尖锐断口或者外凸的半月形形状。
疲劳断裂的发生原因通常包括频繁的负载变化、使用时间过长、高温及腐蚀等因素。
为了预防疲劳断裂，我们可以使用高质量的螺栓材料，定期检查并更换老化的螺栓，定期进行维保和检修等方式。
螺栓的氢脆断裂分析
螺栓的氢脆断裂分析
氢脆就是指钢材内的氢分子造成的应力集中超过了钢材的强度极限，在钢材内部形成了小裂纹，这种裂纹一旦产生就不能消除，在生产成螺栓后，在内部残余或者外加的应力作用下，就可能导致螺栓断裂。
氢脆只能预防，不能治理，因此需要了解不锈钢螺栓合金钢螺栓氢脆断裂的原因，才能从源头避免氢脆问题的发生。
合金钢螺栓氢脆断裂的原因主要有四种：酸洗时引入氢、熔炼过程未完全去氢、外部环境引入氢、氢致延迟型断裂。
酸洗时引入氢：合金钢螺栓的加工过程中包含酸洗和电镀，而这两个工艺环节容易引入氢原子。
如酸洗磷皂化和皂化过程中都有可能引入氢，尤其是磷化工艺中，在磷酸的作用下，铁和碳形成的了无数原电池，在阳极区工件表面形成磷化膜，在阴极区则放出大量的氢。
这种在加工过程中吸入的氢可以说是螺栓氢脆断裂的主要原因了。
熔炼过程中未完全去除氢：在合金钢螺栓的熔炼过程中，有些氢原子留存是无法避免的，这和熔炼的温度、环境及熔炼过程控制都有较大的关联。
在这个过程中残留的氢原子会在氢脆的产生过程中对螺栓的断裂起到促进作用。
外部环境引入氢：如果螺栓的使用环境长期潮湿，那么也会有部分的氢渗入，如在雨水较多的地区用的螺栓其氢脆断裂的发生比例更高。
氢致延迟型脆性断裂：这就是内部残余应力或外在应力的共同
作用下，引发了氢脆断裂。
想要预防螺栓氢脆断裂，就需要根据实际工况来选择适当的原材料、加工工艺（热处理、电镀、酸洗等），采用严格的预防措施。
螺栓断裂原因及处理方案
F 2 d c / 4
T
T1 F tan( v ) d 2 / 2 2d 2 F tan( ) v WT d c3 / 16 dc d c2 / 4
T≈0.5σ。
对钢制M10~M68螺栓：τ
d. 危险截面上受复合应力（ σ、 τ T）作用—→强度准则 螺栓为塑性材料—→第四强度理论。
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Mechanical Laod test
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No. 5
金风科技
1、螺栓连接受力形式及预紧力控制
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4、处理螺栓断裂的几种方法
1) 如果空间足够可以将螺栓改成双头螺柱。 2) 使用加厚垫圈，将原有连接螺栓加长。 3) 采用特质的受拉螺母结构。 4) 如果确定是螺栓强度不够，可以使用强度更高的螺栓。 5) 对机组进行应力幅或载荷测试，找到螺栓断裂的真正原因，再进行处理。
受拉螺栓 螺栓连接 受剪螺栓 1.2螺栓失效部位 由于机组上只采用受拉螺栓，故在此只分析受拉螺栓。据统计， 对于受拉螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性变形和螺杆的疲劳 断裂。
15% 20% 65%
仅受预紧力F’ 紧联接：需拧紧 同时受预紧力F’和工作载荷F
螺栓头部位失效占比15%，螺纹起始部位20%，螺纹旋合部位 65%。
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螺栓断裂分析ppt课件
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• 通过宏观检验、断口分析、金相
检验、显微硬度测试等方法，对３５ ＣｒＭｏ螺栓断裂的原因 进行了分析。 结果表明：螺栓外侧牙底存在大量热 处理裂纹和滚压过程中造成的折叠， 在动载荷作用下逐渐扩展，最终导致 螺栓发生了疲劳断裂。
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图１ 螺栓断裂及试样选取位置
某高速列车上使用的一批３５ＣｒＭｏ高强度螺栓 在使用过程中发生批量断裂，断裂位置为螺栓的螺 纹部 位，且位于距光杆第５～６扣螺纹处，断裂面呈横向断裂， 如图１所示。该螺栓的主要制造工艺为滚压加工后调质处 理。为了避免此类事故的再次发生，对该螺栓进行了理化 检验及断裂原因分析。
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１ 理化检验
１.１ 宏观断口分析
螺栓断裂均发生在螺纹根部，断口宏观特征 基本相同，呈暗灰色，断面干净整洁无明显锈蚀。 通过进一步仔细观察发现该断口分为３个明显的 区域，如图２所示，Ａ区为裂纹源区；Ｂ区为裂 纹扩展区，面积较大且较平整，有明显的疲劳弧 线；Ｃ区为瞬间断裂区，面积较小且断面较粗糙。 根据现有研究成果可知，该断口的形貌为典型的 疲劳断口形貌，结合其受力状态，可初步判定该 螺栓的断裂类型为低应力疲劳断裂。
图7 螺栓心部的显微组织
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另外在螺纹的表面也发现了如图8所示的不光滑起皮现 象，截取端面研磨后置于光学显微镜下观察，发现在如图 9中箭头所指处的螺纹表面存在大量 折叠缺陷。折叠缺陷 是由于螺纹表层在滚压过程中受到挤压力而产生的重叠层。
8Leabharlann 图8 螺纹表面的起皮现象图9 牙底的折叠缺陷
２ 分析与讨论
（1）螺栓断口无明显的宏观塑性变形，裂纹扩展区面积较大，且较平整， 有明显的疲劳弧线，瞬断区面积较小，结合３５ＣｒＭｏ螺栓的工作状态可 以判断，该螺栓的断裂性质为低应力疲劳断裂。
螺栓的氢脆断裂分析
螺栓的氢脆断裂氢脆断裂的种类很多，主要分为氢蚀断裂、白点断裂、氢化物致脆断裂和氢致延滞断裂。
螺钉氢脆断裂通常特指是氢致延滞断裂：氢原子侵入螺钉的基体材料，螺钉拧紧后，即螺钉沿轴线承受一定静载荷（拉伸应力），经过一段时间，突然发生脆性断裂。
螺钉氢脆断裂是常见的螺钉失效模式。
螺钉氢脆断裂通常发生于经过热处理和电镀处理的高强度普通螺纹螺钉和表面硬度较高的自攻螺纹螺钉，大多发生在螺钉头与螺杆或光杆与螺纹交接的部位。
螺钉氢脆断裂一般在螺钉组装后48小时内发生。
判定螺钉断裂是否为氢脆断裂最直观的方法是观察断口形貌。
用肉眼或低倍放大镜宏观观察：螺钉氢脆断裂断口与最大正应力方向基本垂直，断口平齐，无明显的塑性变形，断面明显可分成裂纹源区和裂纹扩展区两个区域，裂纹源区呈结晶颗粒状，颜色呈暗灰色，裂纹源区从螺纹的根部开始，沿着螺纹旋转的方向开裂；裂纹扩展区颜色呈银灰色，可见放射状条纹，条纹收敛于裂纹源区。
用扫描电镜或电子显微镜微观观察：裂纹源区呈沿晶断裂（晶界间存在微裂纹）形貌，并存在沿晶二次裂纹，晶粒轮廓鲜明，呈冰糖状，晶粒表面存在大量的鸡爪痕，裂纹扩展区主要呈准解理断裂（在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常沿一定的严格的晶面分离，同时伴随一定的塑性变形痕迹）形貌，部分区域存在韧窝（小凹坑）及沿晶断裂形貌。
螺钉基体材料的氢含量也是判定是否为氢脆断裂的重要依据。
氢含量可用氧氮氢分析仪测得，主要是看含氢量相对于合格的螺钉或电镀处理前的螺钉是否有显著增加。
碳钢材料允许的氢含量尚无严格的标准，但氢对碳钢材料会造成损害是确定无疑的，含氢量的多寡仅表现为对碳钢材料损伤程度的差别。
螺钉的氢脆断裂机理非常复杂，自20世纪40年代螺钉氢脆断裂问题被发现以来，其断裂机理一直是学术界的研究热点，但至今还是没有统一的认知。
比较有名的理论有四种：氢压理论、氢表面吸附理论、晶格脆化理论和位错理论。
其中位错理论能相对较好地解释螺钉氢脆断裂的特点，位错理论认为：当温度低于某一临界温度时，基体材料中的氢在基体形变过程中形成某种气团。
2Cr13螺栓断裂原因分析
2Cr13螺栓断裂原因分析2Cr13钢属于马氏体不锈钢，淬火后经高温回火处理，该钢具有良好的抗弱腐蚀介质能力和综合力学性能，因而被广泛应用于航空、航天以及船舶等各领域，其中也应用于航天紧固件产品。
开槽圆柱头螺栓，材料牌号为2Cr13，在成检前发现5件杆部存在轴向裂纹，此批螺栓共计366件，现对其中1件开裂螺栓进行原因分析。
该批零件由规格为φ20mm的2Cr13棒材加工制造，其生产工艺流程为：车→铣→钳→热处理→磨→滚丝→清洗→表面处理→试验→成检。
1.试验过程与结果（1）宏观检查开槽圆柱头螺栓开裂宏观形貌如图1所示，可见螺栓表面裂纹沿轴向分布，较平直，裂纹从头部台阶处到螺纹端头，总长约35.1mm，肉眼观察，裂纹深度较浅，螺栓外表面未见明显机械损伤。
图1 开槽圆柱头螺栓开裂宏观形貌（2）金相检查由于螺栓较长，分段截取进行镶嵌试样。
截取开裂螺栓杆部纵截面、横截面进行金相检查，宏观形貌如图2所示。
根据GB/T10561试验方法，对开裂螺栓杆部纵截面进行非金属夹杂评级，A类0.5级，B类2级，C类0级，D类0级，DS0级。
经4 %硝酸酒精水溶液腐蚀后，螺栓头部发现尺寸约（长4.9mm×宽0.6mm）的条带区域（见图2），沿轴向分布，内部为晶粒清晰的等轴晶（见图3），明显区别于基体，且对应于开裂位置的延伸线。
横向截取开裂螺栓螺纹处腐蚀后，开裂位置未见脱碳现象（见图4），条带区深约0.3mm。
基体组织为回火索氏体组织（见图5）。
图2 开裂螺栓杆部截面宏观形貌图3 开裂螺栓纵截面形貌图4 开裂螺栓横截面形貌图5 螺栓正常位置组织（3）能谱分析分别对图3中基体和条带区域进行能谱成分分析（EDS），表1为两区域能谱成分的半定量分析数据。
表1 螺栓基体及条带区域能谱成分（重量百分比）结果（%）位置Fe Cr Mn Si C基体84.2713.700.500.34 1.19条带区域97.05 1.290.470.10 1.09可以看出，基体主要成分为Fe（84.27%）、Cr（13.70%）、Si等元素，主要成分符合Cr13型不锈钢要求。
螺栓断裂分析
螺栓断裂（螺栓头根部断裂，如果是单件估讣是应力集中的原因，断裂批量应是材料或热处理问题。
）
1.拧紧力矩过大（8.8级M8螺栓的介理拧紧力矩在18~23N.m）
2.螺栓根部设计不合理导致了应力集中
3.热处理没有达到要求，，导致硬度过髙，发生脆性断裂。
是否有回火脆性？螺纹处是否有
脱碳组织？
4.材料问题（8.8级螺栓的材质应该是40MnB或者是35CrMOA
5.电镀时如处理不当，容易导致氢的侵蚀，导致氢脆：氢脆断口的特征为：微观准解理面、微孔及韧性的
发丝。
（判断是否为氢脆有个最简单的办法：把样品表而水和油污淸洗干净，
烘干，倒一烧杯石蜡.加热到没有气泡冒出为止.然后把样品放入石蜡中，如果有气泡冒出就说明氢含址高）
6.枪未调好扭距，有冲击，岀现瞬间过载。
7.材料本身就有缺陷（螺栓头杆结合处有微裂纹。
螺栓断裂的原因及预防参考课件
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3.制造不合格导致的，很多的螺栓会因为生产不合格，这 样就没有办法发挥出标准螺栓的质量，在一定程度上就会 导致了螺栓的断裂。我们在生产螺栓之后一定要经过检测， 这样才能够保证螺栓是合格的才进行销售，这个也是对于 消费者的一种最基本的保证。
4.由于螺栓的疲劳强度导致的。螺栓会断裂最多的因素就 是由于螺栓的疲劳强度所致。我 们在使用螺栓一开始是没 有什么问题的，但是在经过物件的作业之后就有可能会产 生一定的松动，在松动的时候继续作业是会让螺栓的疲劳 强度增大，在到达了螺栓 所能够承受的范围极限，那么螺 栓也就随之断裂了。
螺栓断裂的原因及预防
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螺栓断裂的原因
1.由于螺栓的材料导致的，假如我们选用的材料比较好了 之后，那么我们的螺栓质量也就会比较好。假如我们选用 的 材料比较差，那么我们的螺栓在一定程度上断裂的程度 就会比较多。
2.螺栓的强度不够高导致的，由于螺栓在承受的压力如果 大于螺栓的强度，那么螺栓就会很容易出现断裂的现象。 因此我们在使用螺栓的时候最好能够了解一下该螺栓所能 够承受的强度是多大，这样我们就能够选择高于这个强度 的螺栓，螺栓断裂的可能性也会减少很多。
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2.改进螺栓加工工艺
塔机标准节螺栓材料一般为45#钢或40Cr钢，强度等级为 8.8级或10.9级。在对螺栓进行热处理时，必须控制好热处 理温度，以兼顾强度和韧性。在强度足够的情况下，应尽 可能降低淬火温度。/
加工螺栓时，为防止由于截面突变而产生应力集中，应采 用小圆角过渡，切忌在过渡处用切刀清根。在螺纹收尾处， 应尽可能减小收尾槽的深度，以避免应力集中。
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预防螺栓断裂的措施
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螺栓断裂分析
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通过宏观检验、断口分析、金相 检验、显微硬度测试等方法，对３５Ｃ ｒＭｏ螺栓断裂的原因 进行了分析。 结果表明：螺栓外侧牙底存在大量热处 理裂纹和滚压过程中造成的折叠，在动 载荷作用下逐渐扩展，最终导致螺栓发 生了疲劳断裂。螺栓断裂分析2源自图１ 螺栓断裂及试样选取位置
图5 纵剖面热处理裂纹的未侵蚀形貌
图６ 沿晶热处理裂纹侵蚀后的形貌
螺栓断裂分析
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１.３ 显微组织及显微硬度检测
螺栓的热处理工艺为调质处理，显 微组织为正常的回火索氏体（图7）， 符合调质处理的显微组织状态。回火索 氏体是马氏体的一种回火组织，是铁 素体与粒状碳化物的混合物，具有良好 的韧性和塑性，同时具有较高的强度和 硬度，具备良好的综合力学性能。对螺 栓心部进行维氏硬度检测，检测结果为 ４１１ＨＶ，符合相关标准中硬度 ＞ ３１８ＨＶ的要求。
螺栓断裂分析
图7 螺栓心部的显微组织
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另外在螺纹的表面也发现了如图8所示的不光滑起皮 现象，截取端面研磨后置于光学显微镜下观察，发现在如 图9中箭头所指处的螺纹表面存在大量 折叠缺陷。折叠缺 陷是由于螺纹表层在滚压过程中受到挤压力而产生的重叠 层。
图8 螺纹表面的起皮现象
图9 牙底的折叠缺陷
螺栓断裂分析
某高速列车上使用的一批３５ＣｒＭｏ高强度螺栓 在使用过程中发生批量断裂，断裂位置为螺栓的螺 纹部 位，且位于距光杆第５～６扣螺纹处，断裂面呈横向断裂， 如图１所示。该螺栓的主要制造工艺为滚压加工后调质处 理。为了避免此类事故的再次发生，对该螺栓进行了理化 检验及断裂原因分析。
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１ 理化检验
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（3）另外发现螺纹表面不光滑，主要是由于螺栓的滚压工艺不当，造成了 折叠、起皮等缺陷所致。
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３ 结论
３５ＣｒＭｏ螺栓的断裂性质为低应力疲劳断裂。该螺栓在 制造过程中由于热处理及滚压工艺不当，造成了大量的裂纹和缺陷， 这些裂纹和缺陷存在很大的应力集中，成为疲劳裂纹源，在循环应 力的作用下裂纹逐渐扩展，最终发生了疲劳断裂。
１.１ 宏观断口分析
螺栓断裂均发生在螺纹根部，断口宏观特征 基本相同，呈暗灰色，断面干净整洁无明显锈蚀。 通过进一步仔细观察发现该断口分为３个明显的 区域，如图２所示，Ａ区为裂纹源区；Ｂ区为裂 纹扩展区，面积较大且较平整，有明显的疲劳弧 线；Ｃ区为瞬间断裂区，面积较小且断面较粗糙。 根据现有研究成果可知，该断口的形貌为典型的 疲劳断口形貌，结合其受力状态，可初步判定该 螺栓的断裂类型为低应力疲劳断裂。
螺栓断裂分析
图２ 螺栓的宏观断口形貌
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１.２ 裂纹形貌观察
图３ 螺纹表面的热处理裂纹
图４ 螺纹齿根底部的热处理裂纹
在低倍显微镜下观察发现螺纹牙底分布着大量细长的裂纹，如图３，4所示。
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进一步沿轴线切开螺纹轴（图１），研磨剖面在高倍显微镜下观察，发现裂纹 自表层向心部延伸，起始端开口较宽，尾部细长曲折，且大裂纹附近分布着大量细 长的小裂纹，如图５所示，经体积分数为４％的硝酸酒精溶液轻微侵蚀后，发现裂 纹呈沿晶断裂特征，如图６所示，裂纹内部整洁，无明显夹杂物，此现象为明显的 热处理裂纹。裂纹深度为７０～８０μｍ，最大深度可达到１００μｍ 以上，裂纹 附近未发现有明显的非金属夹杂物。
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２ 分析与讨论
（1）螺栓断口无明显的宏观塑性变形，裂纹扩展区面积较大，且较平整， 有明显的疲劳弧线，瞬断区面积较小，结合３５ＣｒＭｏ螺栓的工作状态可 以判断，该螺栓的断裂性质为低应力疲劳断裂。
（2）经裂纹宏观与微观形貌观察，发现几乎每个螺纹牙底都分布着细长的 热处理裂纹。裂纹开口端较宽，尾部细长曲折，呈沿晶断裂，为典型的热处 理裂纹形貌。