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，σ

b ,σ

s

,δ,ψ,A

k

，K

lc

，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