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。

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。

它包括以下三个内容：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。

2.失效分析的意义、目的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。

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，失效分析是机械差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。

最近一些年来，委托我们进行失效分析的任务越来越多，这是好事，这并不反应产品质量越来越差，而恰恰反应了生产者、客户对产品高质量的追求。

3.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）因此，失效来源不能单归咎于生产制造者，还包括流通环节和使用者的一些问题。

4.失效分析的思路、方法失效分析也有繁、简之分。

一些零部件的失效在现场很快能确定失效原因，这是简单的。

但是对一些大型零部件（如飞机、电站转子…），一些复杂且影响因素很多的零部件的失效分析，则必须组织多专业的科技人员，动用一些专用的检测仪器设备。

进行失效分析时，要做的工作包括（根据分析工作的难易来取舍）：（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。

（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） 相结构分析：X射线衍射。

（9） 受力分析：光弹，应变片，涂漆，X射线应力测定。

（10） 力学性能测试：硬度，σb ,σs,δ,ψ,Ak，Klc，da/dN…。

（11） 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。

（12） 分析、结论。

5.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。

其中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。

尽管如此，在断口上记录的信息毕竟有限，加之对断口的基本研究仍在深入，以及在复杂工况条件下断口形貌的变异，增加了断口分析的难度和结论的可靠性。

因此绝不能把断口分析和失效分析等同起来，把断口分析所得出的结论充当零件失效原因的结论。

（1） 断口保存断口不要磕碰，不要把两个匹配断口用力去吻对，以免断口形貌失真。

断口上的一些残留物、污迹往往是失效的证据，不要轻易去除。

比如断口上的油污、锈迹等往往是裂纹产生在热处理前或后的判据。

待分析的断口要用干净的纸、布包好，防潮，以免锈蚀。

（2） 存在多个断口时，对每个断口的位置要标明，编号，照相留存。

（3） 断口清洗当对断口要进行清洗时，可用酒精、丙酮等清洗；不干胶带反复粘贴；电镜薄膜粘贴；超声波清洗。

当断口污染、锈迹严重时，可用化学方法清洗；呈弱酸性的溶液，碱液清洗（如醋酸，磷酸，稀氢氧化钠溶液，10%～20%的草酸等）。

清洗完后，用酒精淋洗，吹干后便于观察或置于干燥箱中保存。

（4） 二次断口的打开有时断口受到严重损坏，断裂细节观察不到，此时可将次生裂纹处打开进行观察，往往可以更加真实地反映断裂的细节。

此时，应将断裂处反响折断，以防断口受到挤擦损伤，有时可将试样深冷处理（如液氮），使材料脆化，便于折断。

（5） 配对断口的提供。

有时单个断口不能反映断裂的力学特征，对配对断口进行观察比比对便可得出结论，如张开型断裂，扭转剪切型断裂，从韧窝的相对变形方向便可判断受力性质（图1）。

图1 在三种应力状态下形成的显微空洞及微坑形状的示意图（a）正应力 （b）剪切应力 （c）撕裂应力为了对断裂性质作初步定性分析，在肉眼观察零件的实际断口时，主要从以下几个方面入手：（1） 观察断口是否存在放射花样或人字纹，人字纹的顶点就是裂纹源的位置。

根据放射区和纤维区面积的相对大小，可以大致定性估计断裂性质。

放射区大，所受外力就大，脆性也就越大。

（2） 断口上是否存在弧形线，如有海滩状弧线，说明是疲劳破断。

（3） 断口的粗糙程度，断口越糙，表明韧性纤维断裂所占比重越大。

反之，断口细平，多光泽，则解理脆性断裂所占比重大。

（4） 断口颜色，断口灰暗，塑性大。

（5） 断口与最大正应力方向的交角。

脆断时，断口与最大正应力方向垂直，而纯剪断时断口与最大切应力方向平行。

6.断口分析部分名词术语（1） 沿晶断裂实际金属材料为多晶粒结构，晶粒之间的边界称之为晶界，沿晶界扩展的裂纹，叫沿晶断裂。

图2就是它的断口形貌，宛如冰糖状，所以又叫冰糖状断口。

图2 沿晶断裂断口形貌 2000×（2） 穿晶断裂与沿晶断裂相反，裂纹在晶粒内部扩展。

（3） 解理断裂一种在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常沿一定的严格的晶面——解理面分离，如体心立方金属中，（001）面就是解理面。

解理断裂的形貌特征为河流花样，河流的上游（支流）就是裂纹发源处。

肉眼观察断口时，旋转断口，可以看到许多闪闪发光的亮点（常称小刻面）就是解理面。

解理断裂形貌如图3所示。

图3 解理断裂的河流花样（4） 准解理断裂在断口微观形貌上，可看到解理断裂的特征，同时又伴随着一定的塑性变形痕迹，称之为准解理（如图4）。

图4 准解理形貌 2400×（5） 韧窝它的断裂特征是发生了明显的塑性变形。

断裂过程由显微空洞的形成、长大连接组成。

这些显微空洞称之为韧窝（图5）。

这种断裂方式属于韧性断裂。

图5 韧窝断裂 5500×（6） 剪切唇断裂过程的最后阶段，表面光滑，与拉应力方向呈45度，通常称之为拉边，此时裂纹是在平面应力状态下发生失稳扩展，材料塑性变形很大。

（7） 放射花样裂纹快速扩展在断口上留下的撕裂痕迹，它的放射方向就是裂纹扩展的方向（图6）。

图6 放射花样（8） 疲劳断裂在全部结构零件的破坏中，疲劳断裂占绝大多数，因此引起人们的特别关注。

疲劳是在周期交变应力作用下产生的一种突发破坏形式，在静载荷条件下不。

通常低于材料的屈服极限。

存在疲劳。

疲劳的抗力指标是疲劳极限σr疲劳断裂，在宏观上没有显著的塑性变形，从这个意义上说，疲劳破断属于脆性断裂。

疲劳断口大体上可分成三个区：裂纹源区；裂纹扩展区；裂纹快速扩展区（瞬断区）和剪切唇（图7）。

图7 疲劳断口形貌疲劳源区：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。

裂纹扩展区：该区的最大特点是有疲劳弧线（又称贝壳花样或海滩花样），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。

该区的微观形貌是存在疲劳辉纹（图8），这是一些相互平行的条带，每一个条带对应一次应力循环。