失效分析报告

南京XXXX 大学失效分析报告

姓名： XXXX学号：XXXXXXXX

学院：X

专业：X

题目：X

2015年11月南京

一、背景

有5根要求分析的螺栓如图1,其中有2根是失效的（1根已断裂1根已近断裂），另3根外表完好；5根螺栓材料、规格、处理方式是相同的，材料是SCM432、表面经过磷化处理、强度等级为10.9；且称失效件之工作寿命在400小时以内，是作为发动机零件且同发动机一起进行台架试验的时候断裂的，螺栓安装方法为：扭距40N.M,再拧三个90°即270°，工作温度为100℃以内，受力方式为链接两个零件间的分离力；其它诸如热处理工艺、表面处理工艺、螺栓成形加工方式、具体工作状况、具体规格等均不明；且断裂件螺栓断口已有较严重的污染、与之相匹配的另一断口未收到（因为另一半断口可能存在更多信息于失效分析亦非常重要），对失效分析有一定的负面影响,要求分析螺栓的断裂原因。

图1来样宏观形貌（其中黄色标识为失效零件)

根据GB/T 4340.1-2009、GB/T 230.1-2009、ASTME140-05对样品进行硬度测试，设备为HVS-1000和HDI-1875，测得结果如下：

试样硬度正常。

五、宏观断口分析

5根要求分析的螺栓如图1,其中有2根黄色标识是失效的（1根已断裂1根已近断裂），两根失效零件的失效部位类似均离顶端相同距离，应属螺栓受力部位之第一根螺齿根部；图2显示“已近断裂”之零件之失效部位形貌，有明显裂纹；图3显示断裂之断口形貌有较严重的污染现象；清洗后断口形貌如图4,从断口来看，属低周高应力弯曲疲劳；有两个分别呈半圆形A及月牙形B且较为平坦的断口部分，隐约可见贝壳花样，面积约占整个断口50%, 断口中间部位C 较为粗糙亦约占50%; A及B区属疲劳断的断裂源区及扩展区，断裂源于螺栓的螺纹齿根部（图4黄色箭头所指），A区与B区断口部分在整个断口部位呈对称现象；C区属瞬断区，可见服役受力较大；C 区及齿根部形貌如图5、6,瞬断区基本呈45度角，齿根部并未发现明显的宏观裂纹；图7及图8 分别为A及B区之断口形貌可见有较多的台阶状特征；A区的断裂源区形貌如图9、扩展区如图10; C区的微观断口形貌如图11、12可见韧窝状特征；B区的断裂源区形貌如图13、扩展区如图14;断口侧面垂直处表面形貌可见图15、16有较

多的微裂纹出现；其它部位亦可见较多的纵向及横向微裂纹如图17、18; 整个外表面（包括齿根部）均较为粗糙；微裂纹均出现在已磷化的工件表面，与断口平行的微裂纹易扩展并诱发疲劳失效。

图2 “已近断裂”零件失效宏观形貌（可见明显裂纹)

图3断口宏观形貌（未清洗处理有较严重之污染现象) 图4 断口宏观形貌（已处理干净）图5瞬断区断口及齿根部宏观形貌图6 瞬断区断口及齿根部宏观形貌

齿

图7 疲劳A区断口微观形貌图8 疲劳B区断口宏观形貌图9 疲劳A区断口微观形貌图10 疲劳A区断口微观形貌A

图11 瞬断区C断口微观形貌图12 瞬断区C断口微观形貌图13 疲劳B区断口微观形貌图14 疲劳B区断口微观形貌

图15 断口垂直面形貌图16 断口垂直面形貌

图17 断口垂直面微观形貌图18 断口垂直面微观形貌

六、金相组织分析

如图19、图20所示，基体组织为回火索氏体，由JB/T 9211-2008得，级别为4级。

图19 基体组织形貌100×图20 基体组织形貌500×

七、讨论与分析

螺栓试样材料为SCM432,一般而言，在相同的硬度或抗拉强度的情况下合金钢比非合金钢疲劳强度要高。其硬度符合10.9级螺栓的标准要求，但偏下限。样品信息较少诸如热处理工艺、表面处理工艺、螺栓成形加工方式、具体工作状况、具体规格等均不明；失效螺栓断口有较严重的污染、与之相匹配的另一断口未收到（因为于失效分析

之另一半亦非常重要），对失效分析有一定负面影响。从断口微观分析及金相图片分析，发现螺纹表面加工粗糙且有较多的微裂纹(金相横截图片表现为凹槽），有些微裂纹是平行于断口面的，微裂纹易扩展并诱发早期疲劳失效；微裂纹的产生应属磷化工艺过程中酸洗不佳所引起，过酸洗引起表面微缺陷如微裂纹产生，且可能存在表面氢含量较高会导致氢脆产生之风险；从金相图片发现螺纹是在热处理后成型的，有较厚的金属变形现象，亦会影响疲劳强度的降低。螺栓基体正常，说明热处理基本正常。

八、结论

两根失效零件的失效部位类似均离顶端相同距离，可见两失效零件受力状况类同；属低周高应力弯曲疲劳失效，断裂源处在螺纹齿根部即应力集中处；螺纹处材料表面存在攻丝后表面粗糙度高，磷化工艺过程中酸洗不佳引起的局部浅层微裂纹，以及热处理后攻丝产生的螺纹处金属变形应力集中、织构取向明显；综合上述分析可知，失效零件主要是由于螺纹表面状态不佳引起疲劳强度降低，从而导致早期低周高应力弯曲疲劳失效；建议在重新对螺栓生产工艺进行评估时，除了以上因素外，关注螺栓热处理工艺，使硬度、抗拉强度、屈服强度达到更好的规范区间，同时对热处理后材料进行冲击和延伸率的验证，是否达到10.9 级螺栓标准。

九、小结

通过本次失效分析实验，可以积累个人知识。检验结果必须通过验证才能成为准确的数据，依据准确的数据，我们才能采取适当的措施，以保证恰当地解决问题。产品实现于过程，问题也产生于过程，我们应该重视每个过程。