螺栓失效分析
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。
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
六角法兰螺栓潜在失效模式及后果分析
六角法兰螺栓潜在失效模式及后果分析六角法兰螺栓是一种常见的紧固元件，用于连接管道、阀门和设备。
由于六角法兰螺栓承受着重要的结构连接任务，其失效可能会导致严重的后果。
因此，对六角法兰螺栓的潜在失效模式及后果进行分析，对于确保工程的安全性和可靠性至关重要。
1.螺栓断裂：螺栓材料的强度不足、材料缺陷、超负荷加载等因素可能导致螺栓断裂。
2.松动：由于振动、温度变化、松弛力等原因，螺栓可能会松动，从而导致连接失效。
3.腐蚀：腐蚀是螺栓失效的常见原因之一、特别是在潮湿、腐蚀介质下，螺栓易受腐蚀侵蚀，导致其强度下降。
4.疲劳破坏：长时间受到连续加载作用，螺栓可能会出现疲劳断裂，尤其是在循环加载下，这种破坏模式很常见。
5.错误组装：错误的组装过程可能导致螺栓失效。
例如，过度或不足的紧固力、螺栓弯曲、螺纹错配等都可能导致连接失效。
螺栓失效可能带来的后果包括以下几个方面：1.结构失稳：如果连接处的螺栓失效，可能导致整个结构的失稳，如管道或设备松动、倾斜，甚至瓦解，严重时可能引发事故。
2.泄漏：螺栓的失效可能导致紧固面之间的密封性能下降，导致泄漏发生。
根据泄漏介质的性质，可能引起环境污染、化学反应等问题。
3.安全事故：如果螺栓在承受外力的情况下突然断裂，可能会导致设备的失控，引发安全事故，例如火灾、爆炸等。
4.设备故障：失效的螺栓可能导致设备无法正常运行，影响工业生产。
需要进行维修或更换螺栓，造成生产停机时间、额外的维修成本等。
为了预防和减轻六角法兰螺栓失效可能带来的影响，以下几个方面需要注意：1.正确选择材料：根据工程要求选择合适的螺栓材料，保证其强度、耐腐蚀性能等满足使用条件。
2.正确安装和拧紧：根据设计要求进行正确的组装和紧固，避免过度或不足，并确保螺栓拧紧力均匀分布。
3.定期检查和维护：定期检查和维护六角法兰螺栓，包括检查紧固力、疲劳破坏等情况，及时发现问题并进行修复或更换。
4.使用合适的润滑剂：在螺栓组装过程中，使用合适的润滑剂，减少干摩擦，提高螺栓的紧固效果。
关于螺栓产生的问题的短篇
关于螺栓产生的问题及分析
一、螺栓松动
问题描述：螺栓在紧固后，经过一段时间或振动后，出现松动现象，导致连接部位出现间隙或产生移位。
原因分析：
1. 螺栓与螺母之间的摩擦系数不够，导致自锁能力不足。
2. 紧固时未使用合适的工具或方法，导致预紧力不足或预紧力不均匀。
3. 螺栓与被连接件之间的振动或冲击，导致螺栓松动。
解决方案：
1. 使用摩擦系数较高的螺母或添加垫片来增加摩擦力。
2. 使用合适的工具进行紧固，确保预紧力均匀且足够大。
3. 在连接部位增加防松装置，如弹簧垫圈、止动垫圈等。
二、螺栓断裂
问题描述：螺栓在受力或振动后，发生断裂现象，导致连接失效。
原因分析：
1. 螺栓材料存在缺陷，如夹杂物、气孔等。
2. 螺栓制造工艺不当，如热处理不当、机械加工过度等。
3. 螺栓受力过大或疲劳损伤，导致应力集中部位发生断裂。
4. 螺栓装配时受到损坏或碰撞。
解决方案：
1. 使用合格的材料，确保材料质量符合要求。
2. 严格控制制造工艺，确保螺栓质量稳定可靠。
3. 根据受力情况选择合适的螺栓规格和材料。
4. 确保装配时螺栓不受损坏或碰撞。
5. 加强定期检查和维护，及时更换受损螺栓。
三、螺栓腐蚀
问题描述：螺栓在使用过程中受到腐蚀，导致连接部位失效或产生安全隐患。
原因分析：
1. 螺栓材料不耐腐蚀，如普通碳钢螺栓在潮湿环境中容易生锈。
螺栓失效形式的分析
原因分析
验证/排查方法
备注
超拧
扭矩偏大
反复施拧
扭矩系数偏小
强度
螺栓强度不足
扭断
卡死
材料缺陷
偏析、疏松、夹杂物等
第二类：滑牙（脱扣）
滑牙（脱扣）
原因分析
验证/排查方法
备注
超拧
扭矩偏大
反复施拧
扭矩系数偏小
尺寸配合
螺栓螺纹偏小
螺母扩孔
强度
螺栓强度不足
螺栓失效形式的分析
对于累计发生的螺栓失效形式，我们分析了一下，简单分为4类：拉伸（伸长变形）、滑牙（脱扣）、咬死、断裂。非正常断裂（不应断裂的位置如头部）暂时不讨论。
我们认为造成失效的某一因素不能简单确定为（人、机、料、法、环）哪一方面引起的，这里没有使用鱼骨图。
根据关联性我们分三类进行分析：
第一类：拉伸（伸长变形）、断裂
单边受力
螺栓螺纹同轴度
螺母螺纹垂直度、光洁度
螺母高度
高度不足
材料缺陷
偏析、疏松、夹杂物等
第三类：咬死
咬死
原因分析
验证/排查方法
备注
螺纹间隙
（间隙减少至零）
腐蚀或生锈
异物进入
螺纹配合过紧
螺纹压力面粘着
超拧
螺纹间摩擦力大
有效螺纹不足
螺纹异常等导致单边受力
螺纹光洁度不足
螺纹拧紧速度过快（摩擦热）
高温
螺栓与螺母成分相同
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。
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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。
质量保证部
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。
质量保证部
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…。
在中国大陆地区涉及2653辆。 缺陷产生的原因是由于北美通用汽车公司生产的部分2013年款SRX车
辆的车轮螺母扭矩控制问题，可能导致螺母松动，引起行驶过程中车轮
异响或方向盘抖动，如忽视该情况并继续使用车辆，车轮螺栓可能断裂， 存在安全隐患。
质量保证部
——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)
质量证部
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
质量保证部
二、螺栓失效分析基本方法
2.螺栓失效的断口分析 断口示意图
质量保证部
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：
质量保证部
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，
或更换。
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。
质量保证部
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
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。
质量保证部
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。
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。
质量保证部
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。
自主培训
螺栓失效分析
杨和宇 2013年12月19日
质量保证部
目
一 失效分析简介
录
二 螺栓失效分析基本方法
三 分析实例
质量保证部
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用，必须拆下来进行修理
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。