案例一螺栓失效分析

案例一螺栓断裂失效分析

某螺栓生产厂家生产的螺栓在用户使用过程中发生断裂，为分析螺栓断裂原因，进行了化学成分测试、金相组织观察、螺栓断口观察、能谱测试以及硬度测试等，并对螺栓断裂做出了结论。

1、化学成分分析

螺栓成分分析采用成分分析仪，正常断裂、异常断裂螺栓成分见表1，从表中可以看出正常断裂螺栓与异常断裂螺栓成分都符合GB/T3077-1999《合金结构钢》中对45Mn2钢的要求。

表1 材料化学成分分析结果（质量分数，%）

C Si Mn P S Cr Ni Fe

正常断裂螺栓0.421 0.250 1.498 0.011 0.001 0.078 0.021 余量

异常断裂螺栓0.425 0.269 1.534 0.011 <0.001 0.068 0.019 余量标准值0.42~0.49 0.17~0.37 1.4~1.8

2、金相组织分析

取平行于断裂截面的试样，打磨、抛光并观察其组织形貌。下图1(a)、1(b)所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓的金相组织形貌，从图中可以看出螺栓金相组织均为回火马氏体。

(a)正常断裂螺栓；(b)异常断裂螺栓

图1 螺栓金相组织形貌

3、宏观断口形貌分析

正常断裂螺栓、异常断裂螺栓宏观断口形貌如图2(a)、2(b)所示。由图可知

两个螺栓均从中心起裂，裂纹向四周扩展。正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面都具有裂纹源、扩展区、瞬断区三个部分，正常断裂螺栓扩展区面积比异常断裂螺栓大，瞬断区面积则比异常断裂螺栓小。这与异常断裂螺栓应力（165KN ）比正常断裂螺栓断裂应力(215KN)小相吻合。同时正常断裂螺栓断裂截面较为平整，异常断裂螺栓在裂纹源附近呈凹陷状。

(a)正常断裂螺栓； (b)异常断裂螺栓

图2 螺栓断裂截面

4、 微观断口形貌分析

图3所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面裂纹源附近的微观形貌，从图中可以看出正常断裂螺栓组织较为平整，而异常断裂螺栓中心附近可见含有夹杂物的微孔。图4所示为夹杂物所在位置，图5为夹杂物能谱分析图，表2为其对应的元素分析表，从表中可以看出夹杂物中主要元素为O 、Si ，并存在少量的Mg 、Al 、Ca 元素，其中O 元素的含量很大，故较杂物主要为SiO 2，存在少量的MgO 、Al 2O 3、CaO 。

裂纹源

扩展区

裂纹源

扩展区

瞬断区

瞬断区

a) b)

(a)、(b)为正常断裂螺栓；(c)、 (d)为异常断裂螺栓；（d ）图中三角形标记为能谱点

图3 螺栓断口显微形貌

图4 夹杂物能谱分析

表2 夹杂物能谱测试化学成分

5、 显微硬度分析

取平行于断裂界面的试样，磨样、抛光并从表层到中心每隔1mm 测量其显微硬度。正常断裂螺栓与异常断裂螺栓的显微硬度值如表3所示，从表3中可以看出正常断裂螺栓和异常断裂螺栓从表层到中心的显微硬度都没有明显的差别。

元素 C O Mg Al Si Ca Fe 重量百分比 2.95 39.48 2.36 5.84 22.10 2.10 25.18 原子百分比

5.68

57.17

2.25

5.02

18.23

1.21

10.44

d)

c)

表3显微硬度值（单位：HV）

1mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 mm 7 mm 8 mm 9 mm 正常断裂螺栓376 359 366 370 353 384 360 359 342 异常断裂螺栓358 344 350 360 358 345 358 358 357 6、结论

（1）正常断裂螺栓和异常断裂螺栓材料成分45Mn2符合标准要求，金相组织与其所使用热处理工艺正常组织一致，两螺栓硬度分布和大小

符合工艺要求；

（2）异常断裂螺栓内部存在SiO2等夹杂物，在拉伸检验过程中夹杂物微孔形成应力集中，过早萌生裂纹，微裂纹聚集，最终导致螺栓异常

断裂。