40Cr高强螺栓断裂分析
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3
初始白点类缺陷的基础上一次性快速扩展形成的。断面边部相对细密的断口区为准解理断 口，最后拉边区为韧窝断口，如图 5。
中 国 应图 3 断裂源边缘伸张区的断口微观形态 急 分 析 网
图 4 扩展区断口形态
4
中
国
扩展后期
应
急
分拉边区 析 图 5 试样扩展后期及拉边区形态
断口分析表明，该螺栓是在张拉正应力下发生的一次性脆性断裂，裂纹源为螺栓内部较 大尺寸的白点缺陷。
6
在光学显微镜下检验钢中非金属夹杂物，结果见表 2，主要为硫化物。没有看到粗系的
非金属夹杂物。
表 2 金相低倍、高倍组织检验结果
一般疏松
中心疏松
锭型偏析
/
/
低倍金相（级） 1.0
中夹杂物（级）
A 2.5
0.5
0.5
B
C
0.5
0
/
/
D
Ds
1.0
0
金相组织
心部wenku.baidu.com边部
国珠光体＋铁素体 回火索氏体＋屈氏体＋针状和半网状铁素体
心部组织存在差别。
1
中 国 应 急 分 图 1 断口宏观形貌
从宏观断裂位置和断口形貌分析，该螺栓的断裂主要是在正应力（拉伸载荷）下的断裂。 断裂面位于相对截面较大的光杆段，而没有断在有效截面较小、并可能产生应力集中的螺纹
析 或螺栓头缺口位置，看来与该截面位置材料内部存在缺陷有关。 在螺栓断面上截取断口试样，在 SEM 显微镜下观察断口的微观形态，如图 2 至图 5 所示。 图 2 为断裂源区的断口微观形态，是准解理断口，有少量准解理和沿晶混合断口，穿晶准解
7
断裂源位置和裂纹扩展的方向如图中箭头所示。断裂源位于偏离中心约 1/3 半径的位置，源
区呈椭圆形，源区与扩展区之间肉眼看不出明确的界线，源区尺寸约在十到二十毫米左右。
断面中间部相对粗糙，边缘约十毫米宽度范围断口相对细密。断面边缘有轻微的拉边，其中
离裂纹源较远的一侧边缘部拉边较距离裂纹源较近的一侧的拉边略宽一些。看来螺栓表层与
0.1
0.2
0.3
0.4
0.6
0.8
硬度
252
至边部距离（mm）
1.0
硬度
252
257 1.2 265
分263
253
1.5
2.0
262
262
255
259
3.0
4.0
255
269
至边部距离（mm）
5.0
硬度
259
结论
6.0 249
8.0 253
析心部 268，271，256，245
网 断口分析表明，该螺栓属于一次性正应力载荷作用下的脆性断裂，螺栓材料内部存在较
0.68 0.50～0.80
析0.017
≤0.035
0.019 ≤0.035
0.93 0.80～ 1.10
网 断口分析 送检螺栓的断裂面位于截面较大的 Φ160 的光杆位置，而没有断在螺纹或螺栓头缺口位 置。断口的宏观形貌，如图 1，为横方向正断口。由于断面长时间放置，表面发生锈蚀。宏
观断口面平坦，没有变形，从断面的辐射状花纹可以看出，断裂是由内部起始并向外扩展的，
网 理断口呈片层状、羽毛状和细条状，在高倍下看出，微观断面上的片层撕裂棱边缘发生轻微
的圆钝化，具有开裂后又受到热影响的痕迹，这是钢中白点缺陷的断口微观特征。
2
中
国
缺陷区断口形态
应
急
分 缺陷区混合断口
析
网
断口受到热影响表面轻微的圆钝化 图 2 断裂源区微观形态
在裂纹源区的边缘断口中可以观察到有韧窝状断口，如图 3，这是在被钝化的初始裂纹 的基础上发生裂纹扩展形成的伸张区断口特征。伸张区断口的外侧为裂纹快速扩展形成的解 理断口，如图 4，解理断裂是一种穿晶脆性断裂。与裂纹源与扩展区之间过渡观察到伸张区 韧窝断口带形成鲜明的对比。断口上也没有看到疲劳的痕迹。由此可以断定，螺栓断口是在
应 硬度测试 用显微维氏硬度试验方法从边部至心部测试组织的显微维氏硬度，结果参见表 3。边部 和心部位置的硬度没有明显的差别。用洛氏硬度试验方法测试材料硬度的结果为：边部和心
急 部的硬度都在 HRC20～23 之间，平均硬度未达到设计规定要求。
表 3 显微维氏硬度测试结果（HV0.2）
至边部距离（mm）
分别在边部和心部取样检验高倍金相组织，如图 7。心部为珠光体和铁素体组织，边部
为回火索氏体＋屈氏体＋针状和半网状铁素体组织，该部分的深度约 13～14mm。心部和表
层组织形态不同，心部不是调质组织，而边部也不为正常的回火索氏体组织。检验结果参见
表 2。
5
中
国
图 6 试样低倍金相
应
急
分心部试样
析
网
边部组织 图 7 试样高倍组织形态
国 关键词：高强螺栓；脆性断裂；白点
材料种类/牌号：合金结构钢/40Cr
概述
应 某螺栓设计安装公称预紧拉力 450 吨，在安装过程中拉力达到 120 吨左右时突然断裂。
该螺栓为 8.8 级高强螺栓，规格 M160×6×5070，材料为 40Cr，要求热处理后硬度在 HRC25～ 31 之间。试样为在断裂螺栓上截取的一段断口试样，对螺栓断裂的原因进行了分析。
记录号：JS-AL-紧固件-015
40Cr 高强螺栓断裂原因分析
摘要：某螺栓设计安装公称预紧拉力 450 吨，在安装过程中拉力达到 120 吨左右时突然断裂。
中对断裂螺栓试样进行化学成分分析、断口分析、无损检测、金相组织分析及硬度测试，结果 表明：该螺栓属于一次性正应力载荷作用下的脆性断裂，螺栓材料内部存在较大尺寸的具有 裂纹性质的白点缺陷是造成螺栓在远未达到设计要求的载荷下发生脆性断裂的主要原因。
大尺寸的具有裂纹性质的白点缺陷是造成螺栓在远未达到设计要求的载荷下发生脆性断裂 的主要原因。
螺栓材料的化学成分符合规定要求，螺栓的组织不是正常的调质组织，材料的硬度也偏
低。
主要分析人员及单位
朱衍勇 教授级高工 钢铁研究总院
董毅 工程师
钢铁研究总院
资料整理人：王冬梅 国家钢铁材料测试中心 审核人： 吴伯群 国家钢铁材料测试中心
急 测试过程与结果
化学成分分析 在试样上取样进行化学成分分析，结果见表 1。各元素含量均符合 GB/T3098.1-2000 对
40Cr 材料的规定要求。
C
分 表 1 化学成分分析结果（W/%）
Si
Mn
P
S
Cr
2006W-1066 40Cr
0.42 0.37～ 0.44
0.28 0.17～ 0.37
网 无损检测 采用超声波方法对来样进行探伤，结果看到，在螺栓断口中心附近存在多处超标缺陷。 金相组织分析
截取试样，检验整个横截面的低倍组织，如图 6，按照 GB/T1979-2001 检验低倍组织缺
陷的结果见表 2。可以看出试样边部与心部受蚀程度不同，中部大部分区域比边部颜色深。
在该截面上没有看到白点缺陷。
初始白点类缺陷的基础上一次性快速扩展形成的。断面边部相对细密的断口区为准解理断 口，最后拉边区为韧窝断口，如图 5。
中 国 应图 3 断裂源边缘伸张区的断口微观形态 急 分 析 网
图 4 扩展区断口形态
4
中
国
扩展后期
应
急
分拉边区 析 图 5 试样扩展后期及拉边区形态
断口分析表明，该螺栓是在张拉正应力下发生的一次性脆性断裂，裂纹源为螺栓内部较 大尺寸的白点缺陷。
6
在光学显微镜下检验钢中非金属夹杂物，结果见表 2，主要为硫化物。没有看到粗系的
非金属夹杂物。
表 2 金相低倍、高倍组织检验结果
一般疏松
中心疏松
锭型偏析
/
/
低倍金相（级） 1.0
中夹杂物（级）
A 2.5
0.5
0.5
B
C
0.5
0
/
/
D
Ds
1.0
0
金相组织
心部wenku.baidu.com边部
国珠光体＋铁素体 回火索氏体＋屈氏体＋针状和半网状铁素体
心部组织存在差别。
1
中 国 应 急 分 图 1 断口宏观形貌
从宏观断裂位置和断口形貌分析，该螺栓的断裂主要是在正应力（拉伸载荷）下的断裂。 断裂面位于相对截面较大的光杆段，而没有断在有效截面较小、并可能产生应力集中的螺纹
析 或螺栓头缺口位置，看来与该截面位置材料内部存在缺陷有关。 在螺栓断面上截取断口试样，在 SEM 显微镜下观察断口的微观形态，如图 2 至图 5 所示。 图 2 为断裂源区的断口微观形态，是准解理断口，有少量准解理和沿晶混合断口，穿晶准解
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断裂源位置和裂纹扩展的方向如图中箭头所示。断裂源位于偏离中心约 1/3 半径的位置，源
区呈椭圆形，源区与扩展区之间肉眼看不出明确的界线，源区尺寸约在十到二十毫米左右。
断面中间部相对粗糙，边缘约十毫米宽度范围断口相对细密。断面边缘有轻微的拉边，其中
离裂纹源较远的一侧边缘部拉边较距离裂纹源较近的一侧的拉边略宽一些。看来螺栓表层与
0.1
0.2
0.3
0.4
0.6
0.8
硬度
252
至边部距离（mm）
1.0
硬度
252
257 1.2 265
分263
253
1.5
2.0
262
262
255
259
3.0
4.0
255
269
至边部距离（mm）
5.0
硬度
259
结论
6.0 249
8.0 253
析心部 268，271，256，245
网 断口分析表明，该螺栓属于一次性正应力载荷作用下的脆性断裂，螺栓材料内部存在较
0.68 0.50～0.80
析0.017
≤0.035
0.019 ≤0.035
0.93 0.80～ 1.10
网 断口分析 送检螺栓的断裂面位于截面较大的 Φ160 的光杆位置，而没有断在螺纹或螺栓头缺口位 置。断口的宏观形貌，如图 1，为横方向正断口。由于断面长时间放置，表面发生锈蚀。宏
观断口面平坦，没有变形，从断面的辐射状花纹可以看出，断裂是由内部起始并向外扩展的，
网 理断口呈片层状、羽毛状和细条状，在高倍下看出，微观断面上的片层撕裂棱边缘发生轻微
的圆钝化，具有开裂后又受到热影响的痕迹，这是钢中白点缺陷的断口微观特征。
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中
国
缺陷区断口形态
应
急
分 缺陷区混合断口
析
网
断口受到热影响表面轻微的圆钝化 图 2 断裂源区微观形态
在裂纹源区的边缘断口中可以观察到有韧窝状断口，如图 3，这是在被钝化的初始裂纹 的基础上发生裂纹扩展形成的伸张区断口特征。伸张区断口的外侧为裂纹快速扩展形成的解 理断口，如图 4，解理断裂是一种穿晶脆性断裂。与裂纹源与扩展区之间过渡观察到伸张区 韧窝断口带形成鲜明的对比。断口上也没有看到疲劳的痕迹。由此可以断定，螺栓断口是在
应 硬度测试 用显微维氏硬度试验方法从边部至心部测试组织的显微维氏硬度，结果参见表 3。边部 和心部位置的硬度没有明显的差别。用洛氏硬度试验方法测试材料硬度的结果为：边部和心
急 部的硬度都在 HRC20～23 之间，平均硬度未达到设计规定要求。
表 3 显微维氏硬度测试结果（HV0.2）
至边部距离（mm）
分别在边部和心部取样检验高倍金相组织，如图 7。心部为珠光体和铁素体组织，边部
为回火索氏体＋屈氏体＋针状和半网状铁素体组织，该部分的深度约 13～14mm。心部和表
层组织形态不同，心部不是调质组织，而边部也不为正常的回火索氏体组织。检验结果参见
表 2。
5
中
国
图 6 试样低倍金相
应
急
分心部试样
析
网
边部组织 图 7 试样高倍组织形态
国 关键词：高强螺栓；脆性断裂；白点
材料种类/牌号：合金结构钢/40Cr
概述
应 某螺栓设计安装公称预紧拉力 450 吨，在安装过程中拉力达到 120 吨左右时突然断裂。
该螺栓为 8.8 级高强螺栓，规格 M160×6×5070，材料为 40Cr，要求热处理后硬度在 HRC25～ 31 之间。试样为在断裂螺栓上截取的一段断口试样，对螺栓断裂的原因进行了分析。
记录号：JS-AL-紧固件-015
40Cr 高强螺栓断裂原因分析
摘要：某螺栓设计安装公称预紧拉力 450 吨，在安装过程中拉力达到 120 吨左右时突然断裂。
中对断裂螺栓试样进行化学成分分析、断口分析、无损检测、金相组织分析及硬度测试，结果 表明：该螺栓属于一次性正应力载荷作用下的脆性断裂，螺栓材料内部存在较大尺寸的具有 裂纹性质的白点缺陷是造成螺栓在远未达到设计要求的载荷下发生脆性断裂的主要原因。
大尺寸的具有裂纹性质的白点缺陷是造成螺栓在远未达到设计要求的载荷下发生脆性断裂 的主要原因。
螺栓材料的化学成分符合规定要求，螺栓的组织不是正常的调质组织，材料的硬度也偏
低。
主要分析人员及单位
朱衍勇 教授级高工 钢铁研究总院
董毅 工程师
钢铁研究总院
资料整理人：王冬梅 国家钢铁材料测试中心 审核人： 吴伯群 国家钢铁材料测试中心
急 测试过程与结果
化学成分分析 在试样上取样进行化学成分分析，结果见表 1。各元素含量均符合 GB/T3098.1-2000 对
40Cr 材料的规定要求。
C
分 表 1 化学成分分析结果（W/%）
Si
Mn
P
S
Cr
2006W-1066 40Cr
0.42 0.37～ 0.44
0.28 0.17～ 0.37
网 无损检测 采用超声波方法对来样进行探伤，结果看到，在螺栓断口中心附近存在多处超标缺陷。 金相组织分析
截取试样，检验整个横截面的低倍组织，如图 6，按照 GB/T1979-2001 检验低倍组织缺
陷的结果见表 2。可以看出试样边部与心部受蚀程度不同，中部大部分区域比边部颜色深。
在该截面上没有看到白点缺陷。