案例一螺栓失效分析
汽轮机高温螺栓断裂失效分析
０ 引 言
机 械 产 品设 计 者 的 主要 任 务 ． 是为社会 提供质量 好 、 寿 命
长、 成 本 低 的产 品 。 为此 ， 设计 、 制造者必须针对产品使用 中出
１ ． ２ 解理 断 裂
一
种 在正 应 力 作用 下产 生 的 穿 晶 断 裂 ， 通 常 沿 一 定 的 严 格
晶裂纹 ， 导 致 螺 栓 发 生 沿 晶脆 性 断裂 。 另外 ， 螺 栓 在 检 修 中 出现 表 面 损 伤 或 受 较 大 的 预 紧力 也 是 螺 栓 断 裂 的 另 一 原 因 。通过 对 某 火 力 发
电厂汽轮机高温螺栓失效 分析 ， 认 为 高 温 螺 栓 断 裂 机 理 以 蠕变 断 裂 为 主 ； 根据螺栓更换及判 废标准 ， 对 现 行 的 螺 栓 监 督 检 验 方法 的 有
ｉ ｎ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ．
Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｓ ｔ ｅ ａ ｍ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ； ｈ ｉ ｇ ｈ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｂ ｏ ｌ ｔ ； ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ； ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｇｕｏ Ｃｈ ｅ ｎ， Ｚｈａ ｎ ｇ ｌ ￣ｅ ｎｑ ｉ
失效案例分析
30
15
b.氢致开裂（HIC）
在钢的内部发生氢鼓 泡区域，当氢的压力 继续增高时，小的鼓 泡裂纹趋向于相互连 接，形成有阶梯特征 的氢致开裂。氢致开 裂发生不需要外加应 力（载荷应力、残余 应力），故从概念讲 不属于应力腐蚀破坏 范畴。
31
32
16
33
c.硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）
• 硫化氢在液相水中，由于电化学的作用，在阴极反应时生成氢 原子渗透到钢的内部，溶解于晶格中，导致脆性增加（氢原子 渗透到钢的内部晶格，在亲和力的作用下生成氢分子，钢材晶 格发生变形，材料韧性下降，脆性增加），在外加拉应力或残 余应力的作用下形成开裂。
2、焊接裂纹有不同的特性，要根据不同的裂纹产生机理 及形式选择检测的时机与方法，提高检验的有效性。
• 延迟裂纹 • 液化裂纹
3、对于易产生焊接裂纹的钢种，一旦发现裂纹，应扩大 检验比例。
11
案例1：反应流出物换热器管箱入口不锈钢法兰开裂
某石化炼油厂，2010年大修检验发现，反应流出物换热器管箱入口 不锈钢法兰开裂。 主要原因：
P≤0.008%、Mn≤1.30%，且应进行抗HIC性能试验或恒 负荷拉伸试验。
40
20
在湿硫化氢应力腐蚀环境中使用的其它材料制设备和管 道应符合下列要求：
铬钼钢制设备和管道热处理后母材和焊接接头的硬度应不 大于HB225（1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo）、HB235 （2.25Cr-1Mo、5Cr-1Mo）或HB248（9Cr-1Mo）；
27
湿硫化氢环境分类（NACE 8X196） 一类：不选用抗HIC钢，可不做热处理 二类：可选抗HIC钢，要进行热处理 三类：选用抗HIC钢，要进行热处理
螺纹紧固件失效分析案例(第1部分)
螺纹紧固件失效分析案例全国紧固件标准化技术委员会机械工业通用零部件产品质量监督检测中心二〇〇八年6月序机械产品失效是一门关于研究机械产品质量的综合性技术学科，主要研究失效的规律与机理。
机械零件的失效是在特定的工作条件下，当其所具备的失效抗力指标不能满足工作条件的要求时发生的。
导致零件失效的本质原因可能是材料本身的失效抗力不足，也可能是零件存在与设计或制造等过程有关的缺陷。
产品的早期失效往往是产品质量低劣或质量管理不善及科学技术水平不高的直接反映。
失效发生后能否尽快作出正确的判断，确定失效原因，制定防止失效的措施，则是衡量有关科技人员技术水平的重要标志。
加入WTO后，我国的产品将参与国际市场的竞争，于是提高产品质量成为提高竞争力的关键因素。
失效分析则是定量评定产品质量的重要基础，也是保证产品可靠性的重要手段。
机械科学研究总院、机械工业通用零部件产品质量监督检测中心在进行大量失效分析的基础上（包括对断裂、腐蚀和磨损的深入研究，特别是断口、裂纹和痕迹分析），分析了可能出现失效的形式和类型，以供大家在生产中借鉴，在生产工艺中加以避免出现失效的可能；同时，在今后的质量纠纷中维护自己的正当权益。
机械工业通用零部件产品质量监督检测中心熊学端研究员从事了几十年失效分析研究工作，有很深的理论造诣，积累了丰富的失效分析经验，本文中列举了部分螺纹紧固件失效分析案例，希望能够为生产企业及用户提供良好的参考和借鉴；同时，中心愿为生产企业和用户在今后的失效分析中提供技术咨询和指导。
全国紧固件标准化技术委员会目 录第一部分 失效分析概述 (1)1. 失效定义 (1)2. 失效分析的意义、目的 (1)3. 失效的来源 (1)4. 失效分析的思路、方法 (1)5. 断口分析 (2)6. 断口分析部分名词术语 (3)第二部分 失效分析案例 (7)1. 汽车上臂螺栓断裂原因分析 (7)2. 溜冰鞋螺钉、螺母断裂原因分析 (12)3. 紧定螺钉断裂原因分析报告 (20)4. 连杆螺栓断裂原因分析 (25)5. 汽车轮毂螺栓断裂原因分析 (29)6. M8×55高强度螺栓断裂原因分析 (33)7. 高压开关螺栓断裂原因分析报告 (37)8. 沟槽刚性接头紧固螺栓断裂原因分析报告 (42)9. 定位螺钉断裂原因分析 (47)10. M36×280高强度螺栓断裂原因分析 (53)11. 高压线塔联结螺栓断裂原因分析 (59)12. 中压电器用螺栓断裂原因分析报告 (64)13. 网架螺栓断裂原因分析 (66)14. 螺钉断裂原因分析 (69)15. 吊环螺钉断裂失效分析 (73)16. 螺栓失效原因分析 (79)第一部分 失效分析概述在具体讲述螺纹紧固件失效分析案例以前，先对失效分析的定义、意义、目的；失效的来源；失效分析的思路与方法；断口分析和名词术语等做一简单叙述。
SCM435螺栓断裂失效分析
s261体视显微镜下对断口进一步观察，断面干净、色泽呈亮灰色、结构粗糙，可观察到断裂的起源位于螺栓的近表面应力集中处，裂纹快速扩展区及剪切唇都明显可见，具有脆性断裂的典型特征。
图3所示为螺栓断口体视显微形貌。
用JSM-IT300扫描电镜对断口进行观察分析，断1#与断2#裂纹源位置相同，但裂纹源处并未发现有非金属夹杂等其他缺陷，整个断口都呈沿晶断裂，属脆性断裂。
图4、图5所示为断口扫描电镜形貌。
（3）化学成分分析 用ARL4460直读光谱仪对4根螺栓进行化学成分分析，螺栓化学成分如表1所示。
结果表明，2根失效螺栓化学成分与2根未失效螺栓化学成分基本一致，且都符合标准规定。
（4）微观组织检验 将1#断裂螺栓和4#未断螺栓切据后加工成金相试样，用4%硝酸酒精腐（a ）断裂1 （b ）断裂2图3 螺栓断口体视显微形貌图4 1#断口扫描电镜形貌有微小次生裂纹，呈沿晶断裂特征。
1#和4#螺栓都呈现回火马氏体组织，马氏体位向特征明显，马氏体板条界和板条内部析出大量细小的碳化物颗粒。
组织中也存在一定数量的大颗粒碳化物，该碳化物尺寸在1μm 左右，为奥氏体化时未溶碳化物，如图6、图7所示。
（5）维氏硬度检测 将1#断裂螺栓沿中心纵向剖开（见图8），在维氏硬度试验机上进行硬度检测，结果（见表2）未见异常，符合标准要求。
（6）非金属夹杂物金相评级检验 按GB/T10561—2005规定A 法对1#、4#螺栓进行非金属夹杂物评级。
从夹杂物评级中未（a ） （b ）图1 1#断裂螺栓的宏观形貌（a ） （b ）图2 2#断裂螺栓的宏观形貌蚀，在金相显微镜和扫描电镜下观察，1#试样在裂纹源处发现（a）（b）（c）（d）图6 1#螺栓次生裂纹形貌和扫描电镜组织形貌（a）（b）图7 4#螺栓扫描组织形貌图8 1#螺栓硬度检测部位表2 1#螺栓硬度检测结果（HV）位置Min Max平均纵向404418410.9横向405416408.6图5 2#断口扫描电镜形貌表1 螺栓化学成分（质量分数）（%）螺栓C Si Mn P S Cr Mo Al 1#（断裂）0.370.230.750.0170.0020.990.190.029 2#（断裂）0.380.220.770.0160.0020.980.180.031 3#（未断裂）0.370.250.760.0170.0020.980.190.030 4#（未断裂）0.360.240.760.0170.002 1.000.180.031图9 1#断裂螺栓氢析出曲线图10 4#未断螺栓氢析出曲线断裂特征。
20MnTiB钢螺栓断裂失效分析
王 弘等 : 20M nT iB 钢螺栓断裂失效分析
门槛应力 , 不足以发生应力腐蚀开裂[ 3] 。 ( 3) X 射线微区元素定性分析结果显示腐蚀物 为铁的氧化物, 表明上述应力腐蚀的机理是阳极溶 解型
[ 3]
保证结构的使用安全。
5
Байду номын сангаас结论
。 由于受测试性能的限制 , 电子探针仪仅能分析
螺栓断裂失效的主要原因是由于螺栓根部存在 着初始裂纹, 初始裂纹尖端的应力集中和露天工作 环境的共同作用使螺栓产生应力腐蚀开裂。应力腐 蚀开裂的方式是阳极溶解型。 参考文献 :
收稿日期 : 2002 10 21 作者简介 : 王 弘 ( 1960 ) , 男 , 副教授 , 硕士。
M22( GB1228- 1984) , 螺栓材料为 20MnT iB 钢, 这是 国标推荐的高强度螺栓用钢 , 在相同硬度下, 与中碳 合金钢比较, 具有更加良好的韧性和可锻性, 较好的 强韧性, 还 可避免脱 碳现象[ 1] 。其 化学成 分 ( 质量 分数) 为: C 0. 17% ~ 0. 24% , Si 0. 17% ~ 0 37% , Mn 1 30% ~ 1. 60% , T i 0. 04% ~ 0. 1% , P< 0. 035% , S< 0. 035% , B 0. 0005% ~ 0. 0035% 。 螺栓材料在加工前经过严格的化学成分检验, 符合标准要求。加工螺栓用毛坯为热轧圆钢。加工 前毛坯全样经超声波无损探伤检验合格。螺纹采用 滚丝工艺加工。其热处理工艺为 880 400 中温 回火, 组 织为回火屈氏 体
500 #
T he corrosive on fracture surface
M icrostructure of failed bolt
悬置螺栓断裂失效分析
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Based on the analysis of fracture, chemical composition, mechanical properties, tightening performance and other aspects of comprehensive verification, this paper analyzes the cause of the suspension bolt fracture of a certain automobile. The results show that the bolt is overload fracture caused by the change of friction coefficient.Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：suspension bolt; overload fracture; friction coefficient; axial force摘要：本文从断口分析、化学成分、机械性能、拧紧性能等方面开展综合验证，分析了某汽车悬置螺栓断裂原因。
结果表明，该螺栓为摩擦系数变化引起的过载断裂。
关键词：悬置螺栓；过载断裂；摩擦系数；轴向力中图分类号：TG142.1 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2020)03-0180-04悬置螺栓断裂失效分析Fracture Failure Analysis for Suspension Bolt庞院，王福平，马秋，郭秋彦，袁成逸（浙江吉利汽车研究院有限公司，宁波 315336）PANG Yuan, WANG Fu-ping, Ma Qiu, GUO Qiu-yan , YUAN Cheng-yi (Zhejiang Geely Automobile Research Institute, Ningbo 315336)引言汽车悬置螺栓的作用是将动力总成与车体连接在一起，是整车装配中非常重要的紧固件。
螺栓失效分析
螺栓失效分析■ 史可庆，刘哲，刘永超2017年5月接到某公司邀请，分析解决该公司设备失效问题。
到厂后对于此失效设备进行了初步调查取证：此失效件为齿轮上的固定螺栓，螺栓头部与本体断开失效。
沟通得知本产品的相关信息，螺栓为购买的轧制半成品，材质为20MnTiB 。
自行热处理后使用，工艺为：860℃保温后淬火，然后420℃回火。
成品硬度为33～40HRC ，抗拉强度R m ≥1030MPa ，淬火后心部90%以上为马氏体。
调取热处理操作记录和监控，排除工艺执行问题引发失效的可能性。
1. 宏观分析失效螺栓为在齿轮上的固定螺栓，螺栓头部与本体断开失效，头部内端面有明显的撕裂失摘要：某公司齿轮上螺栓失效。
通过宏观分析、成分分析、硬度测试、金相分析等工作，对失效的原因进行了分析。
结果表明：该螺栓在近内表面54.25μm 处存在裂纹，此缺陷在淬火前已存在，淬火后使得缺陷加剧扩展，导致螺栓服役期间失效。
建议首先严格控制原材料的纯净度，降低夹杂物的影响，其次增加热处理前的无损检测工序，以保证淬火质量。
关键词：螺栓失效；裂纹；硫化物夹杂；疲劳断裂扫码了解更多效形貌，且有明显贝纹线。
该螺栓外表面是经过涂层处理的，有银色涂层存在，如图1所示。
2. 理化分析（1）光谱分析 将螺栓头部外端面用铣床铣掉表层涂层，进行光谱分析和硬度测试如图2所示，结果如表1、表2所示。
根据表1的结果分析，成分符合20MnTiB 的要求，且无明显的成分偏析状况。
（2）硬度检验 将螺栓头部沿着中心轴线锯切为两半，磨制试样，然后在内端面进行硬度检验如图3所示。
分析结果如表2所示。
根据表2的结果分析内外表面硬度（a ） （b ）图1 失效螺栓宏观形貌表1 外表面化学成分分析（质量分数） （%）均符合32～39H R C要求，根据D I N50150标准推算强度也符合R m≥1040MPa的要求。
（3）金相检验将剖切面进行磨制抛光，进行金相分析，在剖切面一侧发现靠近内端面有一处裂纹，裂纹方向与内端面平行，裂纹距内端面最大距离305.35μm，距内端面最小距离54.25μm。
发动机连杆螺栓断裂失效分析
2021年 第4期 热加工771 序言对于汽车发动机而言，连杆螺栓不仅是将螺栓头部和螺杆联接在一起的紧固件，还是联接连杆大端轴承座与轴承盖使之成一体的重要螺栓。
连杆螺栓不仅受到装配时的预紧力[1]，在发动机的运行中还要承受活塞连杆往复运动惯性力和连杆旋转离心力的交变载荷作用，而且在气缸的压缩和做功行程中，还要受到每分钟上千次交变应力的冲击[2]。
各种失效模式的研究和案例也时有报道[3-6]，对汽车用断裂螺栓进行失效分析，研究其产生故障的特征、规律及原因，可为汽车的生产、使用或维修中采取有针对性地改进和预防措施提供理论依据，防止同类故障再次发生[7]。
2020年2月，某故障发动机在拆机之后发现其中一缸的进、排气部位缸体被击穿，连杆外露，另有紧固连杆的两根螺栓发生断裂（见图1）。
通过对断裂螺栓进行失效分析，主要包括断口分析、材料鉴定、拧紧工艺排查等方面，对螺栓的整个生命周期环节做了梳理，试图从螺栓的设计、生产检测以及拧紧工艺等方面找出螺栓断裂的原因，并解决连杆螺栓断裂问题。
2 连杆螺栓2.1 化学成分分析断裂螺栓规格为M8×1.0×40-6h ，其强度等级为10.9级，螺栓材料SCM435，是JIS G4035—2003中的一种热轧钢线材，属于低合金结构用钢，主要合金元素是Cr 、Mo 。
表1列出JIS G4035—2003中SCM435化学成分标准要求和断裂螺栓的化学成分分析结果，符合要求。
发动机连杆螺栓断裂失效分析叶枫，陈旺湘，胡志豪，马照龙浙江义利汽车零部件有限公司 浙江义乌 322000摘要：故障发动机被拆解之后发现固定连杆轴瓦的两根螺栓发生了断裂，通过对断裂螺栓进行宏观观察、SEM 显微分析以及对断口附近材料进行材质分析，研究确认连杆螺栓的断裂形式、原因，并提出相关改进措施。
结果表明：连杆螺栓断裂性质属于疲劳断裂，其中一根螺栓是完全疲劳断裂，另一根是部分疲劳和部分剪切断裂。
失效分析
Ａｂｓｔｒａｃｔ：２０ＭｎＴｉＢ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔ ｗａｓ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ａｆｔｅｒ ２４ ｈｏｕｒｓ ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｅｏｐｒ， ＳＥＭ，ＥＤＡＸ，ｈａｒｄｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｎｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｅｄ ｂｏｌｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｏｌｔ ｅｘｉｓｔｅｄ ｃｒａｃｋｓ ｂｅｆｏｒｅ ｕｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｒａｃｋｓ ｌｅｄ ｔｏ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ＳＯ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍｏｖｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｔｏｐ ａｎｄ ｅｎｒｉｃｈｅｄ．Ｗｉｔｈ ｌｏｃａｌ ｉｎｃｅｒｅａｓｅ ｉｎ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｔｈｅｒｅ ＯＣ— ｃｕｒｅｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｄｕｃｔｉｌｅ－ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｉｎ ｂｏｌｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｌｔ；ｃｒａｃｋｓ；ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｄｕｃｔｉｌｅ－ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ
表３慢应变拉伸性能测试结果
１’ａｈｉｅ ３ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｎｌｔ ｏｆ ｓｌｏｗ ｓｔｒａｉｎ ｔｅｎｓｉｏｎ
万方数据
５２
物理测试
第２６卷
图４断口处的显微组织 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ
图６断口形貌 Ｆｉｇ．６ ＳＥＭ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ
图５螺纹根部裂纹形貌 Ｆｉｇ．５ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｔ ｒｏｏｔ ｏｆ ｓｃｒｅｗ
螺栓失效分析方法
螺栓失效分析方法A．分析流程当我们确定任何一种失效的根本原因时，必须遵守相应的指南或者提出一些问题。
调查的首要部分是收集尽可能多的和紧固件应用相关的信息。
1. 紧固件是如何被安装的，用手、气动工具、或者扭矩扳手？2. 用到的辅助组件，平垫圈类型；螺母等级，光洁度、表面涂层？3. 作用与连接处的外载荷类型：重在冲击载荷、振动、旋转，静载荷，轴向载荷或者是横向载荷？4. 载荷的大小？5. 环境？6. 连接处是否是多个紧固件？7. 多个联接螺栓是如何紧固的，交叉紧固、逐步加载，或者一个挨一个的拧紧？8. 从哪里施加的凝聚拧紧的，螺栓头或者是螺母、又或者是螺栓头螺母交替拧紧的？9. 连接的状态怎么样，生锈的、喷漆表面、粗糙的、光滑的、图润滑的表面？10. 失效零件的状态如何，喷漆的，生锈的、有油脂的、热烧伤的？11. 断裂表面的状态是什么样的，光滑的、发暗的、光亮的、生锈的？12. 断裂的部位，头部、螺纹过渡处、外部裂纹？13. 该批螺栓是否有机械性能或者化学成分的测试报告？B．调查取证现在需要我们来把我们收集的资料进行分类了，有时我们可以通过样品的表观和断面来判断到底发生了什么，这样可以缩小失效可能的范围。
例如，韧性断裂会显示为有夹杂的凹涡，或者杯形或锥形的暗带。
也会显现其他形式的变形，因为材料在发生极限断裂前会发生形变。
然而，如果加载很快如，冲击或快速拧紧，韧性材料也有可能发生脆性断裂。
例如再利用非可调式气动工具紧固螺栓时。
检查螺栓的螺纹部分，看螺距是否有变化，这可以帮我们判断螺栓是否承受了较大的载荷，如果螺距变大，说明螺栓应力超出了屈服应力。
图1.韧性断裂脆性断裂一般情况下端面是平的，端面和疲劳失效相似，不过看上去更光亮一些，露出晶粒状断裂。
脆性断裂不会显示处形变的迹象，有些断裂会显示指向应力起始点的锯齿痕或瀑布纹。
图2.脆性断裂金属疲劳会显示贝壳纹或沙滩条纹贯穿疲劳断面，这里会有一系列的带状暗带或亮带或者二者兼有，暗带预示着低频率振动，而亮带则是由于高周波冲击载荷引起。
20MnTiB螺栓失效分析
20MnTiB螺栓失效分析1 概述高强度螺栓是继铆接、焊接之后发展起来的一种钢结构连接型式。
它具有施工简单、可拆卸、承载大、耐疲劳、较安全等优点。
因此, 高强度螺栓连接已发展成为钢结构工程安装的主要手段。
20MnTiB钢高强度螺栓用于航天发射塔架斜支梁、悬臂梁及主梁联结板的连接。
在进行服役过程中，发现有少量连接螺栓断裂的现象。
本文通过断裂螺栓的断口、显微组织、显微硬度和微区成分进行了分析。
查找螺栓失效原因，制定改进措施，以防止同类失效再度发生。
2 螺栓的材料及技术条件螺栓型号为M22(GB1228-1984)，螺栓材料为20MnTiB钢，这是国标推荐的高强度螺栓用钢,在相同硬度下，与中碳合金钢比较，具有更加良好的韧性和可锻性，较好的强韧性，还可避免脱碳现象。
其化学成分如表1表1 螺栓化学成分（W B）C Mn Si P S Cu Cr TI B 样品0.22 1.38 0.99 0.006 0.023 0.15 0.07 0.07 0.0018该批螺栓所用钢材化学成分符合标准要求，P、S、Cu等残余元素也控制在合理范围之内。
加工螺栓用毛坯为热轧圆钢。
制造工艺流程如下：20MnTiB圆钢(盘条)酸洗拉拔冷镦成型搓丝热处理发黑包装入库其热处理工艺为880℃油淬，380～400℃中温回火，组织为回火屈氏体。
每批成品均抽样作静拉伸实验，力学性能达到GB1231-1984标准中10.9S的螺栓性能等级要求，σb为1040～1240MPa，σs≥940MPa，δ5≥10%，ψ≥42%，A k≥58.8N·m，维氏硬度为312～367HV30，洛氏硬度为33～39HRC。
3断裂螺栓失效分析3.1断口宏观形貌分析宏观下，断裂螺栓断口具有脆性特征，如图1。
断口面位于螺栓的第五个螺纹处。
断口可分为三个区域：裂纹源区、裂纹扩展区和最终瞬断区。
未观察到疲劳断裂特征。
裂纹源区位于螺纹根部,其放大形貌，如图2。
在裂纹源区可观察到一扁长形状的原始裂纹，长约 5.5mm，深约0.8mm，在其旁有一半月形的锈蚀区。
螺纹紧固件失效分析案例(第5部分)
13. 网架螺栓断裂原因分析对一个M39×131的网架螺栓在服役中发生断裂的原因进行分析。
螺栓由40Cr钢制造，并经调质热处理。
一、 外观螺栓断裂处位于杆部的第二个螺扣牙根处。
螺栓断裂部位未见塑性变形，断口有部分锈蚀。
二、 断口图1为螺栓断口的宏观照片。
图1 断口宏观形貌断口可明显分成三个区。
Ⅰ区为无明显花样的光滑区；Ⅱ区为呈海滩花样的条带区；Ⅲ区为最后断裂区——瞬断区，该区平面与螺栓轴线大体呈45°角，属于剪切断裂区。
由断口特征可以判断，螺栓断裂属于弯曲疲劳断裂。
为了更清晰的观察断口三个区的形貌，将三个区进行局部放大观察（图2）Ⅰ区 Ⅱ区（其中白道为滑伤）Ⅲ区图2 断口三个特征区的局部放大形貌8×由照片可见，Ⅰ区为疲劳裂纹萌生及缓慢扩展区。
螺纹在螺纹根部高应力集中区首先诱发裂纹，在周期交变应力的作用下，螺纹反复张合，产生摩擦挤压，因而形成光滑断面。
在该区裂纹起始部位（图中箭头所指），可见大量细小台阶，说明疲劳裂纹的产生是多源的，此系在缺口应力集中时疲劳裂纹产生的典型形貌特征。
Ⅱ区为疲劳裂纹快速扩展区，其形貌特征为有明显的且平行的海滩状前沿线，此系裂纹扩展时周期性伸展与停歇而留下的痕迹。
该区约占断口总面积的2/3。
Ⅲ区为最后断裂区，断口粗糙灰暗。
该区的形成为裂纹扩展至一定程度后（Ⅱ阶段结束），剩余断面不堪承受外力作用，瞬时被拉断的结果。
Ⅰ区和Ⅱ区占整个断口面积的90％以上。
三、 低倍、金相组织1.夹杂图3为螺栓材料中的非金属夹杂物，主要为球状不变形氧化物，评定为3级（GB 10561-1989）。
图3 夹杂物100×2.金相组织螺栓材料的金相组织为调质索氏体＋部分断续网状铁素体和针状铁素体（魏氏组织）（图4）。
100× 500×图4 螺栓材料金相组织四、 初步分析意见1.螺栓的断裂属于弯曲疲劳断裂。
螺栓在服役过程中承受了单向弯曲交变应力（或者说双向弯曲交变应力，但其中一侧的应力远大于另一侧）。
螺栓早期失效原因分析与防范
螺栓早期失效原因分析与防范螺栓连接是机械零部件之间最广泛的联接方式之一，它广泛应用于工程机械、汽车、船舶、航天、化工、水利等各个领域，也是用量最大的标准件。
它的失效小则影响机器设备的使用功能，大则造成安全事故。
影响螺栓失效的因素有服役载荷、环境温度、环境介质，以及螺栓的本身质量性能；本文仅就螺栓本身质量造成早期失效的原因进行分析。
一、早期失效原因造成螺栓早期断裂原因主要有4个，它们往往又纠缠在一起，从而加剧进一步恶化螺栓性能，使得螺栓失效。
1、材料缺陷：材料表面皮下气孔是钢锭或钢坯的常见缺陷之一，在材料轧制和冷拔过程中表面皮下气孔被拉长，形成了表面微小裂纹（称为发纹），在螺栓制造过程中（冷镦、热处理）发生开裂造成废品，也可能在螺栓服役中发生断裂，造成失效。
皮下气孔低倍氢致裂纹断口扫描电镜2、氢致裂纹：也称延迟断裂，也是造成螺栓失效原因之一，螺栓制造过程中，需要热处理、酸洗和电镀，热处理介质中的氢、酸洗电镀液里的氢，扩散到螺栓金属材料中，富集在材料显微缺陷处，造成了显微缺陷处应力集中，增加材料的脆性，在外部应力作用下螺栓发生断裂。
3、热处理：热处理不当也是螺栓失效原因之一，淬火过程容易产生微裂纹，微裂纹就成为应力集中点，在高级别的螺栓中，屈强比高，塑性储备不足，微裂纹扩展快，造成了早期失效。
有些企业为了节约成本，省掉了消除应力回火工序，使得螺栓材料残余内应力（冷镦、淬火造成的）过大，往往在使用过程中突然断裂，断在螺栓头与螺杆的连接处。
淬火裂纹颈部圆角4、成型缺陷螺栓成型过程：螺栓头与螺杆连接处（螺颈）圆角成形不良、螺纹根部加工粗糙度精度低存在刀痕等，都会造成应力集中同时也是一个微裂纹，容易导致螺栓早期失效。
二、防范措施采用连铸连轧生产的盘条，是解决材料表面皮下气孔的基本办法；钢坯剥皮处理也是一个办法，不过加工量大，成本增加较多；真空精炼也是减少钢坯表面皮下气孔的有效办法。
解决氢致裂纹大都采用去氢处理工艺，在真空炉中或热油中加热2小时，让材料中的扩展氢逸出，从而消除氢致裂纹。
螺纹紧固件失效分析案例(第2部分)
5．金相组织分别对未断与断裂螺钉和螺母各1件纵向解剖进行金相观察。
图8为试样末浸蚀时的低倍形貌。
a 25×b 50×c 25×图8 螺钉纵剖金相磨面（a、b—螺钉，c—螺母）从图可以清楚地看到，螺钉在牙的侧面存在明显的裂纹，每个牙上裂纹的位置与形态完全一致，将裂纹放大后（图8b）可以明确判断，上述裂纹实际上是螺钉在搓丝过程中形成的折叠。
折叠处（图8b中的A处）的显微硬度为540HV，0.05明显要高于其他部位的渗碳层的硬度，此系A处两面渗碳的结果，这点同时也说明上述裂纹在热处理前业已存在。
另外，对一个断裂的螺钉解剖后发现，在过渡圆角处存在细微裂纹（图9），浸蚀后观察，该裂纹沿晶扩展（图10），这与断口源区扫描电镜下观察到的沿晶断裂特征（图3）完全吻合。
在裂纹周围也未发现非金属夹杂物聚集和沉淀相析出。
图9 断裂螺钉圆角处的裂纹50× 图10 图9裂纹浸蚀后的放大形貌500×螺母牙顶形成双峰（图8C），这也是搓丝工艺不当所形成的。
双峰鞍部形成的不规则尖缺口将对随后的热处理及使用均将产生不利影响。
图11为螺钉渗碳层的低倍形貌及渗层组织，渗碳层为回火屈氏体。
断裂与未断裂螺钉的芯部组织均为板条马氏体，未断螺钉的马氏体板条更粗大些（图12）。
25× 100×图11 螺钉渗碳层形貌及组织a断裂螺钉 b未断螺钉图12 螺钉的芯部组织500×图13为螺母的渗碳层组织，断裂与未断裂螺母的渗碳层组织相同，均系回火屈氏体。
断裂螺母与未断裂螺母的芯部组织则完全不同（图14）。
图13 螺母的渗碳层组织250×a 断裂螺母b 未断螺母图14 螺母的芯部组织 500×断裂螺母芯部组织为绌片状珠光体+铁素体，而未断者为板条马氏体。
这与表1中螺母测定的硬度值完全对应。
6.含氢量分析根据螺钉断口形貌特征及延时断裂特征，加之螺钉经酸洗后镀锌，怀疑有渗H2现象[1]。
高强度紧固件失效实例分析
高强度紧固件失效实例分析ⅰ疲劳断裂的实例一．疲劳断裂的特征1．疲劳与断裂的概念：疲劳是机械零件常见的失效形式，据统计资料分析，在不同类型的零件失效中，有50%—80%是属于疲劳失效。
疲劳断裂在破坏前，零件往往不会产生明显的变形和预先的征兆，但破坏却往往是致命的，会酿成重大事故。
疲劳损坏产生及发展有其特点，最终形成为疲劳断裂。
疲劳问题的探索，最早是在1839年，法国人彭赛列提出材料和结构件的疲劳概念，德国人A·沃勒在1855年研究了代表疲劳性能的应力应变与震动次数的理论（S—N曲线），并且提出了疲劳极限的概念，因此，沃勒被称为材料疲劳理论的奠基人。
疲劳与断裂的力学理论经过一百多年的发展，各行业具体疲劳断裂事例不断涌现，经过科学家及工程师不间断地研究和探索，目前，疲劳断裂科学理论不断地充实和发展，从而在本质上了解了疲劳破坏的机理。
疲劳概念的论述：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳；疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称为疲劳断裂。
也可简称为金属的疲劳。
引起疲劳断裂的应力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。
2．疲劳的分类：（1）高周疲劳与低周疲劳10的疲劳，如果作用在零件或构件的应力水平较低，破坏的循环次数高于5称为高周疲劳，弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。
10的疲作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次数较低，一般低于4劳，称为低周疲劳。
例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。
（2）应力和应变来分：应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周疲劳；应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周疲劳。
复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称为复合疲劳。
（3）按照载荷类型弯曲疲劳扭转疲劳拉拉疲劳与拉压疲劳接触疲劳振动疲劳随着断裂力学的不断发展，行业内广大的技术人员逐渐认识疲劳裂纹的产生及其发展的规律，为控制和减少疲劳引起损害奠定了基础。
某钢结构螺栓断裂失效分析
某钢结构螺栓断裂失效分析邱康勇;张杰;吴继权【摘要】某公司一户外钢结构楼梯螺栓发生断裂失效,采用宏观分析、化学成分分析、金相分析、硬度测试、断口分析等方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:螺栓断裂主要是因为螺栓部分新鲜表面暴露在空气中,在腐蚀性环境和应力的共同作用下,应力集中的螺栓根部开始萌生裂纹,裂纹由外向内扩展,最终造成一次性断裂.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2018(054)010【总页数】4页(P765-768)【关键词】钢结构;螺栓;断裂;腐蚀;应力集中【作者】邱康勇;张杰;吴继权【作者单位】深圳市特种设备安全检验研究院,深圳 518029;深圳市特种设备安全检验研究院,深圳 518029;深圳市特种设备安全检验研究院,深圳 518029【正文语种】中文【中图分类】TG115;TU391户外钢结构楼梯具有强度高、自重轻、施工速度快、抗震性能好、便于安装和拆卸等特点；同时户外钢结构楼梯在制作安装时，表面进行了喷塑、浸锌或烤漆等技术处理[1]，因而还具有造型美观、价格适宜、经济实用、防台风、隔热、隔音、保温、防潮等特点。
图1 断裂螺栓安装位置Fig.1 The installation position of the fractured bolt某公司在对户外钢结构楼梯进行检查时发现，一固定螺栓发生断裂失效。
断裂螺栓标称材料为20MnTiB钢，规格为M20 mm×70 mm，性能等级为10.9S，为高强度螺栓。
该螺栓作为紧固件应用于户外钢结构楼梯，如图1所示，于2016年12月发生断裂，累计使用时间约为2 a(年)。
高强度螺栓其抗拉强度大，表面硬度高，力学性能好；热处理一般采用调质处理，即淬火+高温回火；表面处理常采用表面磷化或者表面氧化。
该断裂螺栓热处理工艺为调质处理，表面处理工艺为发黑处理。
为查明该螺栓断裂失效原因，笔者对其进行了检验和分析。
图2 断裂螺栓宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the fractured bolt1 理化检验1.1 宏观分析失效螺栓的整体宏观形貌见图2，可见螺栓表面涂有黄色油漆，但油漆面不完整,螺栓断裂位置为螺栓根部，该处为应力集中位置。
不符合项根本原因分析方法
纠正问题的根本原因 分析方法
体系办
2012/11/13
序 言
有效地解决体系审核中发现的问题，是管理工作的 一个重要内容，它要求管理人员具备分析问题和解决问 题的技能。 要从根本上解决问题，就必须对出现问题的原因进 行深入细致的分析，仅仅分析产生问题的直接原因是不 够的，必须找出发生问题的根本原因，找到问题的根源 所在，采取纠正措施，杜绝同样的问题再发生。 我们只有知道产生问题的“根本原因”，才能制订 对策，才能握有解决问题的“金钥匙”。那么，应该如 何对一个问题进行分析呢？首先必须弄清什么是直接原 因，什么是根本原因。
五个为什么
问五次为什么
系统的方法并不急于立即解决问题，而是立足 于揭示问题根源，找出长期的对策。
传统的方法
问题
系统方法 不采用
问题 D0 D1
采用
Why D3 Why D4 Why D5 D6 Why D7 Why D8 解决方法 （“快速解决” ）
解决方法 （一劳永逸）
D2
表面问题 潜在原因
5why原因追究例子-1
不好的分析
現象 Why 螺栓 松了 Why 对策
加强系紧 螺栓
设备盖子 落掉了
×
螺栓的 直徑太小
好的分析
设备盖子 落掉了
螺栓 松了
超高强度螺栓断裂失效分析
超高强度螺栓断裂失效分析摘要：螺栓作为重要的紧固件，其失效事故较多，危害极大。
其中，螺栓氢脆断裂是一种常见的失效模式。
由于氢脆主要与批次问题有关，因此危害更大。
螺纹连接是发动机部件之间最常用的连接，约占发动机连接的70%。
螺栓的应力特性决定了它是发动机的薄弱部分。
因此，连杆螺栓的失效分析和预防非常重要。
对超高强度螺栓的断裂失效进行了分析。
关键词：超高强度螺栓；断裂破坏；氢脆超高强度螺栓是经过铆接和焊接而发展起来的一种钢结构连接形式。
它具有结构简单、可拆卸、承载力大、抗疲劳、安全等优点。
因此，高强螺栓连接已发展成为工程安装的主要手段。
1例分析某轴承上使用了某种类型的高强度螺栓，其强度要求非常高。
经过5个月的生产检验合格后，发现部分螺栓螺纹处相继断裂。
该类高强螺栓为铰孔螺栓（螺纹长95mm），材质为35CrMnSiA钢，规格为M56，螺纹长235mm，强度要求符合gb/t3077-1999。
制造工艺如下：坯料电渣重熔→预处理→超声波探伤→粗加工（单边余量3～5mm）→淬火和回火处理（950℃淬火、630℃回火）→半精加工→淬火热处理（淬火温度900℃，310℃回火）→机械性能检查→完成→磁粉探伤（含螺纹）→表面油漆保护→装配目前，无损检测方法无法检测出螺栓内部0.2mm以下的微裂纹。
通过金相检验、氢含量检验和断口扫描电镜分析，对断裂的螺栓和未断裂的随机试样进行了检验，并分析了断裂原因。
2实验方法和结果2.1受试者。
试验对象为2个此类螺栓，包括断裂的铰制螺栓和1个相应的相同类型的未断裂螺栓。
2.2外观检查。
目测第一螺纹段铰制螺栓断口齐平，无塑性变形，断口垂直于轴线，为一次性脆性断裂。
断口附近有明显的腐蚀痕迹。
2.3化学成分分析。
对两个螺栓样品的化学成分进行了测试和分析。
结果表明，两个螺栓的化学成分均符合标准。
2.4氢含量检测。
对断裂铰孔螺栓和未断裂铰孔螺栓的光杆边缘、r/2和芯部进行了氢含量检测。
断裂和未断裂螺栓的光杆边缘和芯部的检测结果基本相同，r/2处的检测结果差异较大，分别为2.0×10-6和0.6×10-62.5断裂分析。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。