螺栓失效分析课件
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。
泵体端盖螺栓失效分析
对转动 ，使螺栓松 动发生 偏移 ，２号 和 ３号位 置正是 螺栓
发生偏 移后在一对剪力 矩 的作用 下两处 与螺纹孔发 生激烈 摩擦 ，出现了这两处 磨损 由于螺栓发 生偏移 ，在 螺栓 根
位 置
ｆ 恂、 Ｃ 平 ｕ Ａ１ Ｖ Ｗ Ｚ ｒ Ｂ Ｓ ｎ Ｐ ｂ ０ ０ ７ｎ ０８ Ｑ ０２ ０ ６＜： ０ ． １ １ ０ ０ Ｑ０ ３＜１． ０＜１．０ １ Ｑ０ ４ ＜ ｎ ０ ０ ０１ ００ ０ ０ ０１
则就 可能有 液体从间隙 中倒流 回去 。
示 。紧固螺栓 的断裂 位置是 在靠近螺 栓的顶 部 ，而在 螺栓 的不 同位 置有不 同的磨损 ，从螺 栓 的整体 可 以看 出此 螺栓
使用 时间并不是很 久。根据宏 观照片对具 体 的磨 损位置 作
出初 步分析如 下 ：
紧固螺栓是双螺杆泵 叶轮端盖 的重要 紧 固件起着 紧 固
动 洛氏硬度计上测定 洛氏硬度 ；对截面 上的不 同 的两 点进
行 了化 学成分的测试 。分析分析试样发生断裂 的原 因。
观察图 ２ ：失效 螺栓 的螺纹上的两处非常清晰 的磨损痕
迹 。而其中一处磨损接近螺栓顶部，另一处则与第一处磨损成
２ 实 验 记 录
２ １宏观 检测 ．
紧固螺 栓发生断裂的宏观 的形貌照片分别如 图 １ 所 ～３
１０的另一面靠近断面处 ，其他各处螺纹无明显 的磨损，则很 ８。
容易推出这两处是 由一对剪力矩造成的。而根据此紧固螺栓的
工作环境和功能 ，它应该主要承受的是拉应力 ，不应承受剪力 的作用 ，这是此螺栓 的失效的—个重要原因。
＊作者简介 ：许敬年 （９ ５ ，男 ，实验师 ，主要从 事材料成 型与控制工程方面的研究 。Ｅ １ ６ ～） ～ｍａｌ ｈ ａｇｉ０ ０ ６ ．ｏ ｉ ：ｚｕ ｎ ｚ５０ ＠１ ３ ｃｒ ｎ ｈｔ ｔｐ ｜ ．ｍａ ｔｑ ｃｍ ・９ Ｒ ｃ ｓｅ ．ｏ ７・
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。
《失效分析》PPT课件 (2)
精选ppt
5
机械构件失效的主要形式
变形失效 断裂失效 腐蚀失效 磨损失效
精选ppt
6
变形失效
弹性变形失效----弹性变形过量，虽表面未发现任何
损伤痕迹，但弹性性能已达不到原设计要求。例如汽 车弹簧，经长期使用后松弛性能降低导致不能起缓冲 作用塑性变形失效
塑性变形失效----变形量超过极限，不能再使用。经
长期运转后的汽轮机叶片逐渐伸长发生塑性变形而与 壳体相接触，使汽轮机不能正常运行。
蠕变变形失效----零件长期在高温和应力作用下，即
使小于屈服应力也会缓慢地产生塑性变形，这种现象 称为蠕变，当蠕变变形量超过规定数值后就会失效， 甚至产生蠕变断裂。
高温松弛失效----零件在高温下失去弹性功能而导致
只有在晶界被弱化时才会产生沿晶断裂。
晶界弱化的基本原因----材料本身或环境介质或高温的作用
*晶界沉淀相造成的沿断裂----由晶界的夹杂和第二相沉淀所 造成的，晶界上的析出相通常是不连续的，呈球状、棒状或树枝 状，晶界沉淀相越多，断裂应力越低
*杂质元素在晶界偏聚造成沿晶脆断----如Ge、Sn、N、P、As、 Sb、Bi、S、Se、Te等。低合金钢的第二类回火脆性（合金钢在 回火后慢冷或在375~560oC等温产生晶界脆化和沿晶断裂）。
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
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]。
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]。
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。
曲轴皮带轮螺栓断裂失效分析
偏离 轴 心线将 受 到更大 的剪 切力 ， 断裂 风 险更加 高 。 ２ ） 制造 （ 产 品） 缺陷 ， 螺 栓 缺 陷 以及 整 个 连 接 副
４ 结 论 和 建 议
通过以上分析 ， 且该螺栓 的断裂仅是个例 ， 导致
的其他零件缺陷。
从前面的故 障件以及 留样件分析 ，螺栓在性 能 螺栓疲劳断裂的可能原因的真正本 质原 因无法完全 和 结构 上 没有 问题 ， 可 以排 除螺 栓 缺 陷。由于本 连接 确 认 ，真 正 的 断裂 原 因还需 要 设计 大量 的试验 和验 副 需 要 大 的摩 擦 力 来 确 保 在 工 作 中 连 接 不会 松 动 ， 证。 针对该螺栓建议措施 ： 交待各地维修中心 ， 车返 回 在 运 动 中维持 一 定 的预 紧 力 最关 键 是要 减 少 来 自垂 ４ Ｓ店 保养 时 检查 扭 矩 ，检 查装 配 现场 避 免装 配 完 毕 直轴向的力 ， 如果连接副在安装结束就处于弯曲， 运 后敲打连接副。撰写此文 ， 主要探讨断裂螺栓的失效 动 中将会 受 到 更 大 的剪 力 。进一 步 检测 与螺 栓 连接 分 析方法 ， 以及提 出一些 设计 验证 中的注 意事项 。 的螺 母 孔垂 直 度 和平 行 度 及 螺纹 精 度 ，也 满 足 图 纸
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。
零件失效分析2失效分析基础知识PPT课件
键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂
初始裂 纹源
裂纹扩 展区
最终瞬 断区
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键槽
2.2 应力集中与零件失效 ➢ 应力集中与应力集中系数 ➢ 应力集中对零件失效的影响 ➢ 降低应力集中的措施
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零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配， 也会造成应力集中。
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➢ 影响应力集中与断裂失效的因素
力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低， 应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；
第35页/共120页
➢ 影响应力集中与断裂失效的因素 零件几何形状：
断裂部位
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零件应力状态： 举例：
上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期 失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局 部脱碳。
含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况
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变截面过渡圆角处的应力分布
理论应力集中系数
Kt
max 平均
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应力集中系数手册
典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值
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典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值
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➢ 振动时效 (Vibration Stress Relief, VSR) ➢ 锤击、喷丸、滚压
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振动等离子熔覆过程示意图
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0Hz
50Hz
75Hz
100Hz
125Hz
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150Hz
100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象
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。
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螺栓失效分析
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杨和宇 2013年12月19日
目录
一 失效分析简介 二 螺栓失效分析基本方法 三 分析实例
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2
一、失效分析简介
1.失效定义 一个零件或部件不能履行设计赋予它规定的功能，称该零件或
部件失效。 a.完全不能工作； b.可以工作，但不能令人满意地完成预期的功能； c.受到严重损伤不能可靠而安全的连续使本方法
2.螺栓失效的断口分析 断口示意图
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三、分析实例
Mazda6轮辋螺栓行驶中断裂分析 发生条件： 现场情况： 分析结论：螺栓疲劳断裂的原因是轮毂螺栓松动，导致螺栓工作中承受 异常弯曲疲劳载荷而断裂。轮毂螺栓松动的原因可能是装配力矩控制不 当导致，或者螺栓和螺母的加工和配合精度等问题。 改善措施：
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一、失效分析简介
3.失效分析的意义 机械产品设计者的主要任务，是为社会提提供质量好、寿命长、成
本低的产品。一种新产品的诞生，开始并不是完美的，多少会存在各种 大小不同的问题，这在设计、制造中可能难以发现，往往只有在使用中 才能充分暴露。为此，设计、制造者必须针对产品使用中出现的失效进 行仔细分析，找出问题的症结，重新改进设计、制造。再投入使用，发 现问题，再改进，这个循环过程也许要反复进行多次。因此，失效分析 是机械产品的质量由不完善走向完善的必经之路，是机械产品可靠性设 计重要的一环。
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二、螺栓失效分析基本方法
1.螺栓失效分析的思路、方法. 7）断口电镜分析：扫描电镜，透射电镜，俄歇谱仪，能谱分析等。 8）受力分析：光弹，应变片，涂漆，X射线应力测定。 9）力学性能测试：硬度，断裂模拟试验：对一些吃不准的破坏形式， 根据受力条件、环境进行模拟重现。 10）分析、结论。
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二、螺栓失效分析基本方法
2.螺栓失效的断口分析 断裂是机器零件失效最严重的表现形式之一，对断裂的研究已发展
成一门独立的边缘学科，涉及到断裂力学，断裂物理，断裂化学和断口 学等多个分支。
断裂后产生的断口存储记录了大量失效特征及失效原因的信息，因 此，断口分析是失效分析最基本，也是最重要的方法之一。通过断口的 形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方 式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。
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三、分析实例
其他 2013年5月17上海通用因车轮螺栓断裂隐患召回2653辆凯迪拉克。 日前，上海通用汽车有限公司向国家质检总局备案了召回计划，将自
2013年5月17日起，召回部分2013年款进口凯迪拉克SRX汽车(配置18英 寸轮毂)，生产日期为2012年9月3日至2013年3月7日。据该公司统计， 在中国大陆地区涉及2653辆。
应注意把失效与废品区别开来，前者是在使用过程中出现的， 后者是在生产制造过程中产生的。另外，失效又分为正常失效和非 正常失效，达到设计寿命的为正常失效，反之为非正常失效，后者 才是通常失效分析工作的主要对象。
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一、失效分析简介
2.失效的来源 造成失效的来源主要有以下方面： ——设计 ——选材 ——材料缺陷 ——制造工艺（冷加工、热加工、表面处理等等） ——贮存、运输（碰撞、锈蚀…） ——装配（如螺栓拧紧力矩…） ——服役条件（环境温度、受力状态、腐蚀环境、相关件的影响等)
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二、螺栓失效分析基本方法
2.螺栓失效的断口分析 疲劳断裂在全部结构零件的破坏中，疲劳断裂占绝大多数，疲劳断
口大体上可分成三个区： a.裂纹源区：一个光滑、细腻的细小区域，由于受交变应力的作用，裂 纹两侧，因反复挤压而变得平坦、光滑。 b.裂纹扩展区：该区的最大特点是有疲劳弧线。 这是裂纹扩展中的停顿或应力大小变化时，裂纹 前沿线所留下的痕迹。微观形貌是存在疲劳辉纹 c.裂纹快速扩展区：疲劳裂纹扩展至一定深度后，零件的剩余截面积不 足以抵抗外力的作用而产生瞬时破断。该区的特征是放射条带。
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二、螺栓失效分析基本方法
1.螺栓失效分析的思路、方法. 1）收集背景资料：失效件的设计图纸、要求；失效件的制造历史；失 效件的服役情况、环境、受力情况…。 2）失效件的现场状态：运行记录、询问现场人员、拍照。 3）化学成分分析：鉴别材料的选择是否正确。 4）无损探伤：磁粉、超声波、着色、涡流、X射线、γ射线、工业CT…。 5）断口分析：保存好失效件的断口，不要受到损伤，不要将两个断口 去吻对，断口上的附着物不要忙于清除。断口的清洗要小心谨慎。 6）金相检验：包括低倍与高倍。 金相检验是做金属表面和心部组织,分析金属材料在热处理中出现的缺 陷和组织,以及在使用过程中出现的缺陷分析。