螺栓断裂失效原因分析
45K冷镦钢螺栓装配过程断裂失效分析
（3）扫描电镜检测 采用 SIGMA 300扫描电子显微镜，对 螺栓失效件断口进行检测。六 角凸缘端断口为圆锥形凸起，螺 杆端断口为圆锥形凹坑。对六角 突缘端圆锥凸起断口进行检测， 图2a所示左侧为六角突缘端断口 的螺牙齿顶外缘，右侧为断口中 心凸起圆锥面。距螺杆螺牙底槽 部位存在周向开裂的裂纹，裂纹 呈多条平行条纹，表明材料表 面强度极低。图2a中红框区域的 倍率经放大，螺牙底槽裂纹显示 多源台阶的应力开裂特征。该处 存在应力集中现象，而且材料表 面强度低，因而存在多条多源台
（%）
45K钢 标准值 实测值 评价
C 0.42～0.48
0.478 符合
Si 0.10～0.35
0.159 符合
Mn 0.60～0.90
0.703 符合
P ≤0.030 0.019
符合
S ≤0.035 0.009
符合
表2 失效件样品表面硬度测试结果
（HRC）
检测点 实测值 规范值
1 25.68
2 25.22
14 2018年 第10期
热加工
螺栓断裂件上截取试样，采用 ARL8860火花放电直读光谱仪进 行化学成分检测。依据标准JIS
螺母锁紧位置
（a）螺栓装配图
六角凸缘部位裂部位
螺杆端
（c）螺栓断裂件 图1 螺栓成品及断裂件
G3507－1－2010《冷镦用碳素钢 第1部分：盘条》进行判定，化学 成分符合规范要求（见表1）。
F racture Failure
断裂失效
阶裂纹源的开裂特征形貌（见图 2b），由此推断螺牙底槽部位属 于断口的断裂起始区。
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。
螺栓、螺母失效形式及因素
各种形式螺栓和螺栓都可以成为螺纹紧固件,其这些螺纹紧固件在使用过程中经常会出现一些失效的形式,如断裂,拧断,滑丝等现象。
根据对螺纹紧固件——螺栓和螺母的相关知识了解,分享有关螺栓、螺母常见失效形式以及失效的因素。
1、装配拧拉断裂拧拉断裂特征为断裂部位明显缩颈伸长。
常见因素主要是联接面摩擦系数过小;拧紧或预紧时施加的扭矩过大、施加扭矩时套筒与螺纹不同轴、施加扭矩时速度过快;零件本身的性能强度不够以及紧固面与螺纹中心线垂直度超差。
2、螺纹受剪切力拧断受剪切力拧断的断口部位一般有螺旋状,无明显缩颈,造成螺纹受剪切力拧断的。
常见因素是螺纹在拧紧过程中被卡死,例如:螺纹变形、相互联接的牙型不一致、螺纹有焊渣灯情况;螺栓拧进的断面被顶住,如螺母为盲孔的有效螺纹深度不够。
3、应力集中部位使用后断裂应力集中部位使用后断裂常见表现在螺栓头部及头部与螺纹杆过度的直角部位,主要因素为头部与螺纹杆过度的直角部位圆角过小;螺栓冷镦成型时在头部的塑性流线存在缺陷。
被连接面与螺栓垂直度超差。
4、疲劳断裂在螺栓连接后使用的过程中主要的断裂为疲劳断裂,常见因素有:预紧力不足;夹紧力衰减过大;螺栓尺寸、性能不合格;零件之间的相互配合、装配环境、使用工况不能满足设计要求。
5、延时断裂延时断裂常见因素为氢脆,氢脆是在生产过程(如电镀、焊接)中进入钢材内部的微量氢,在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。
常见易发生氢脆的紧固件有:自攻钉、弹性垫圈、级以上的经过电镀表面处理的螺栓。
6、零件扭矩报警零件扭矩报警常见发生在通过角度法控制扭矩的螺栓装配过程中。
主要因素有:原因为零件的装配扭矩控制范围不合理,表现为设定控制范围过小、控制范围往上或往下偏移。
没有预紧到预设角度,扭矩达到上限报警:因素为零件本身摩擦系数超上限、零件配合摩擦系数超上限、零件之间干涉,造成装配扭矩急剧上升。
正常装配,扭矩下限报警:因素为零件本身摩擦系数超下限或零件配合摩擦系数超下限,零件拧入时贴合扭矩大于初始扭矩(也即拧入力矩消耗过大),常见于锁紧螺母的拧紧。
12.9级高强度螺栓断裂原因分析
~测试与分析-12. 9级高强度螺栓断裂原因分析焦丽1,赵英军1,张伟民2，孙晓东1，周兰梅1(1.河北华北柴油机有限责任公司，河北石家庄050081;2.陆军装备部驻北京地区军事代表局驻石家庄地区第三军事代表室，河北石家庄050081 )摘要：柴油机12.9级高强度螺栓材料为42C r M 〇钢，在紧固过程中发生断裂。
对断裂的螺栓进行了宏观 检验、化学成分分析、锻造纤维流线检验和金相检验，并检查了螺栓的加工工艺，以揭示其断裂的原 因。
结果表明：螺栓在镦锻过程中，头-杆结合部产生了裂纹，大大减小了螺栓的有效承载面积，在 紧固力的作用下发生断裂。
检查发现，螺栓有因热处理不当而产生的脱碳，但这不是造成螺栓断裂 的原因。
关键词：高强度螺栓;镦锻；断裂中图分类号:T G 157文献标志码：A文章编号：1008-丨690(2020)04-0042-04Analysis on Fracturing of 12.9 Grade High-strength BoltJIAO Li' , ZHAO Yingjun 1 , ZHANG Weimin2, SUN Xiaodong' , ZHOU Lanmei 1(1. H e b e i H u a b e i Diesel E n g i n e Co., Ltd., Shijiazhuang 050081 , H e b e i C h i n a ；2. 3th Military Representative Office in Shijiazhuang Reg io n of Military Representative B u r e a uof the A r m y A r m a m e n t D ep a r t m e n t in Beijing, Shijiazhuang 050081 , H e b e i China)Abstract ： T h e 12.9 grade high-strength bolts of diesel engine, m a d e from 42C r M o steel, fractured in the processof fastening. T h e fractured bolt w a s tested for macroscopic a p p e a r a n c e , chemical c omposition, forged fibre flow a n d microstructure, a n d its work i ng process also w a s c h e c k e d , to discover the reason w h y i t fracturing. T h e results s h o w e d that crack e m a n a t e d from head-rod joint of the bolt during upsetting. A s a result, effective load-bearing area of the bolt w a s considerably reduced, thus fracturing under the action of fastening force. It w a s revealed from the examination that the bolt exhibited decarburization du e to the fault in heat treatment but this is not the cause of the bolt fracturing.Key words ： high-strength bolt ； upsetting ； fracturing〇引言螺栓是普遍使用的紧固件，常被称为工业之 米[|]。
螺栓连接的主要失效形式
螺栓连接的主要失效形式螺栓连接是机械工程中常用的一种连接方式，其可靠性对于机械设备的正常运行至关重要。
然而，由于螺栓连接在使用过程中受到多种因素的影响，其失效形式也较为复杂。
本文将从主要失效形式、影响因素及预防措施等方面进行详细介绍。
一、主要失效形式1. 拉伸断裂拉伸断裂是螺栓连接最常见的失效形式之一。
当受力过大或者螺栓材料强度不足时，螺纹部分会发生塑性变形，最终导致拉伸断裂。
此外，若螺纹部分存在缺陷或者加工不良，则也容易造成拉伸断裂。
2. 剪切破坏剪切破坏是指在承受剪切应力时，螺栓产生塑性变形而导致破坏。
这种失效形式通常出现在高速旋转设备或者高速运动设备中。
3. 疲劳破坏疲劳破坏是指由于长期交替载荷作用下，螺栓材料受到循环应力而导致的破坏。
这种失效形式通常出现在机械设备长期使用过程中。
4. 腐蚀破坏腐蚀破坏是指由于螺栓表面受到化学物质或者大气环境的侵蚀而导致的破坏。
这种失效形式通常出现在海洋设备或者潮湿环境下的机械设备中。
二、影响因素1. 材料选择材料选择是影响螺栓连接可靠性的重要因素之一。
不同材料具有不同的强度和耐久性，因此需要根据具体使用情况选择合适的材料。
2. 加工工艺加工工艺也是影响螺栓连接可靠性的重要因素之一。
加工精度和表面光洁度对于螺纹部分的质量有着直接影响，因此需要保证加工精度和表面光洁度符合标准要求。
3. 使用环境使用环境也是影响螺栓连接可靠性的重要因素之一。
不同使用环境下，对于螺栓连接所承受的载荷和腐蚀程度都有着不同的影响，因此需要根据具体使用环境选择合适的螺栓材料和防护措施。
4. 安装方法安装方法也是影响螺栓连接可靠性的重要因素之一。
正确的安装方法可以保证螺栓连接的质量和可靠性，而错误的安装方法则容易导致螺栓连接失效。
三、预防措施1. 材料选择在选择材料时，需要根据具体使用情况选择合适的材料。
一般来说，高强度材料可以提高螺栓连接的承载能力和耐久性。
2. 加工工艺在加工过程中，需要保证加工精度和表面光洁度符合标准要求。
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。
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。
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。
U型螺栓疲劳断裂分析
问题描述：
8月31日反馈断裂
断口
9月9日反馈断裂
断口
断口状态：
8月31日反馈的断口状态
9月9日反馈的断口状态
断口分析：
Hale Waihona Puke 根据断裂力学的相关文献记载，疲劳破坏的断 口与一般脆性破坏的断口不同，一般脆性破坏的断 口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而 疲劳破坏的主要断口特征是放射性和年 轮状花纹。
空间太小，存 在摩擦磕碰
零件多处产生摩 擦磕碰腐蚀点
U型螺栓疲劳失效产生分析：
装配 结构
受力面重心偏 移后的压痕
受受力力面面重偏心移偏 移两后边的不压对痕称
最终结论：
根据我公司对故障件进行常规检测后，其材质、性能、硬度、金相组 织均能符合设计要求。（详见附件：检测记录照片）
最终我们根据贵公司所寄故障件的断口失效形态，以及贵公司所传递 的现场装配部位照片，最后结合相关文献分析后发现如下几点问题：
容许应力幅模拟计算：
例如：已知钢筋受轴心拉力，截面为φ14，材料40Cr，硬度27-32HRC，性能等级 9.8级，抗拉强度≥900Mpa=138KN，保证应力≥650Mpa=100KN 。 1、假设，材料承受重复负载，循环次数为 n=106 次。 2、假设，材料质量等级一级，计算疲劳时属于第3类。 【解】由表2.1，查得C=3.26×1012 ， β=3
杠杆 重心
应力集中点
2、假设，应力集中点内侧受空间及外部因 轴
素因素产生磕碰或腐蚀，此时将给疲劳源
向 拉
区的生成创造条件；
力
U型螺栓
受力面 磕碰腐蚀点
145mm
3、当受力面重心偏移，应力点产生磕碰腐 蚀，此时容许应力幅将大幅度下降，造成 设计应力幅的疲劳强度无法满足要求。
聚醚部地脚螺栓断裂失效分析
３ 脚 螺 栓 周 围环境 和 断 裂 现 场 分 析可 知 ，聚醚 中间体反应 釜工作 时 ，反应 釜 内部 物料 的
劳断裂 失效 。这 一结论 可通过 电镜扫描 断 口分 析结 果得 到验证 ，电镜扫描 结果表 明 ，裂 纹开裂于 螺栓
裂的地脚螺栓进行失效分析 。 纹 源处 ，如箭头 所示 ，裂纹随 即逐 渐呈扇 形 向前方 和 四周扩 展最后 断裂 。如 图１ 所 示 ，断 口平齐 无 和２ 塑性变 形 ，为典型 的横 向脆性断 裂 ；断 口已严 重氧 该反应 釜是 聚醚部 生产聚 醚 中间体 的装置 ，反 应 釜地 脚以上高约４ ，直径约为４５ ，整个反应 釜 米 ．米 化 ，呈红褐 色。
（）在适 当时机对螺栓进 行检查 ，更换有缺陷的 １
螺栓
３２ 地脚螺栓组织不均匀 。存在缺陷 ．
化学分析 结果表 明 ，断 裂螺栓 的材 质有害元 素ｓ
（）建议对螺栓采用调质热处理 。 ２
Ｔ０１ － ＣＯＲＲＯＳｌ ＡＬ ＯＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＶＯ ２６ Ｎｏ． ＡＰＲ． Ｌ＿ ４ ２０１ ２
试验 ，结果 表 明近 边缘部 位的硬 度较高 ，心部部 位 地 脚螺栓构 成 了交 变的拉 伸应 力 ，与预 紧应 力共同 的硬度低一些 。结果见表３ 。 作 用下 ，在 地脚螺 栓组织 夹杂 、不均 匀部 位形成 集
表３ 硬度试验结果 （ Ｒ Ｈ Ｃ）
中应 力并 萌生微 裂纹 ，随 着时 间的延长 ，在交 变应 力的作 用下 ，这 种微 裂纹在螺 栓内部逐 渐扩展 ，最
…
ｅ Ｅ
图
聚醚部地脚螺栓断裂失效分析
王 颖 （ 中国石 化股份有 限公 司天津分公 司，天津 ３ ０ ７ ） ０２ １ 摘 要 ：某聚醚 中间体反应 釜地脚 螺栓 断裂，本文分析 了地脚螺栓 断裂的原 因 ，并提 出 了相
螺栓断裂失效模式
螺栓断裂失效模式
螺栓断裂失效模式是指螺栓在使用过程中出现断裂现象的具体形式和原因。
常见的螺栓断裂失效模式包括以下几种：
1. 疲劳断裂：螺栓在受到重复加载的情况下，由于应力集中、材料的疲劳寿命到达或低周疲劳引起的断裂，常见于长期受到振动或震动加载的螺栓。
2. 过载断裂：螺栓受到超过其承载能力的加载时，由于应力超过材料强度极限而引起的断裂。
过载断裂通常发生在突然的大负荷或冲击加载下。
3. 弯曲断裂：螺栓由于受到应力集中或不均匀加载而产生弯曲变形，最终导致断裂。
弯曲断裂通常发生在螺栓的长度与直径比较大的情况下。
4. 腐蚀断裂：螺栓长期暴露在腐蚀介质中，导致螺栓材料的腐蚀损失，最终引起断裂。
5. 应力腐蚀断裂：螺栓同时受到应力和腐蚀介质的作用，引起材料的应力腐蚀破坏，最终导致断裂。
螺栓断裂失效模式的分析可以帮助设计和使用螺栓时避免断裂问题的发生，提高螺栓的可靠性和安全性。
曲轴皮带轮螺栓断裂失效分析
偏离 轴 心线将 受 到更大 的剪 切力 ， 断裂 风 险更加 高 。 ２ ） 制造 （ 产 品） 缺陷 ， 螺 栓 缺 陷 以及 整 个 连 接 副
４ 结 论 和 建 议
通过以上分析 ， 且该螺栓 的断裂仅是个例 ， 导致
的其他零件缺陷。
从前面的故 障件以及 留样件分析 ，螺栓在性 能 螺栓疲劳断裂的可能原因的真正本 质原 因无法完全 和 结构 上 没有 问题 ， 可 以排 除螺 栓 缺 陷。由于本 连接 确 认 ，真 正 的 断裂 原 因还需 要 设计 大量 的试验 和验 副 需 要 大 的摩 擦 力 来 确 保 在 工 作 中 连 接 不会 松 动 ， 证。 针对该螺栓建议措施 ： 交待各地维修中心 ， 车返 回 在 运 动 中维持 一 定 的预 紧 力 最关 键 是要 减 少 来 自垂 ４ Ｓ店 保养 时 检查 扭 矩 ，检 查装 配 现场 避 免装 配 完 毕 直轴向的力 ， 如果连接副在安装结束就处于弯曲， 运 后敲打连接副。撰写此文 ， 主要探讨断裂螺栓的失效 动 中将会 受 到 更 大 的剪 力 。进一 步 检测 与螺 栓 连接 分 析方法 ， 以及提 出一些 设计 验证 中的注 意事项 。 的螺 母 孔垂 直 度 和平 行 度 及 螺纹 精 度 ，也 满 足 图 纸
螺栓断裂原因及处理方案
查手册，选螺栓
No. 4
金风科技
1、螺栓连接受力形式及预紧力控制
1.3螺栓受力分析
2) 紧联接 （1）只受预紧力F’的紧联接
外载荷FR——对螺栓为横向力——靠摩擦力传递
a. FR作用下，板不滑移：FR≤Ff，而Ff—→F’。 b. 按F’计算： F’为螺栓轴向负荷—→拉应力 c. 拧紧过程中，在T1作用下螺栓受扭—→产生τ T
3/17/2015
No. 14
金风科技
3/17/2015
Mechanical Laod test
3/17/2015
No. 15
金风科技
螺栓断裂原因：机组运行时，螺栓应力幅值过大，现场更换螺栓时未按 要求进行“十”字交叉紧固，造成法兰面间存在间隙。
3/17/2015
Mechanical Laod test
3/17/2015
No. 9
金风科技
3、螺栓断裂原因及案例分析
案例二
某项目现场叶片与轮毂连接螺栓频繁发生断裂，现场检查时发现该位置螺 栓有松动迹象。
3/17/2015
No. 5
金风科技
1、螺栓连接受力形式及预紧力控制
3/17/2015
Mechanical Laod test
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No. 6
金风科技
1、螺栓连接受力形式及预紧力控制
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Mechanical Laod test
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No. 7
金风科技
2、螺栓断裂分析时注意事项
杂、间隙等。 5) 登机检查时注意断裂螺栓位置法兰与螺杆是否存在干涉的情况。 6) 关注同批次多颗螺栓断裂的问题。
3/17/2015
高强度螺栓断裂(失效)常见形式有哪些？是何原因？
失效现象
原因说明
高强度螺栓的头部断裂
1.头杆不垂直，拧紧后存在弯曲应力；
2.头杆过大，存在频率较高的波动载荷，引起疲劳失效；
在收缩区（缩径）断裂
拧紧力过大，超应力使用
发现高强度螺栓凹陷、点蚀或锈斑
发生了腐蚀
一般而言，高强度螺栓常见的损坏主要形式有螺栓断裂、螺纹损坏、应力腐蚀、氢脆、疲劳、松弛等。
我们就以下几个方面分析：
1、高强度螺栓使用的材料：是否混钢。材料的化学成份是否符合标准。金相分析材料是否存在缺陷（微观气孔、微观裂纹、偏析或夹杂物等）。
2、高强度螺栓热处理的质量：硬度（表面硬度和芯部硬度）；拉力载荷和延伸率。
高强度螺栓螺纹第一牙处断裂
这一部位有应力集中点
拧入不久，出现断裂，断口平整，无缩径
高强度螺栓产生了氢脆的现象
3、进行酸洗或电镀后是否进行了去氢处理；
4、再一步则试验高强度螺栓的再回火、保证载荷是否达标；
5、如果上述均合格，应了解使用状况：
a.高强度螺栓是否有超拧现象（拧紧后存在很高的预紧力）；
b.高强度是否有剪切载荷（估算：极限剪切应力应小于极限抗拉应力的60%）；
c.高强度螺栓使用的场合，是否有腐蚀现象；
螺栓断裂的原因分析及预防措施
1、螺栓断裂的原因：1.由于螺栓的材料导致的，假如我们选用的材料比较好了之后，那么我们的螺栓质量也就会比较好。
假如我们选用的材料比较差，那么我们的螺栓在一定程度上断裂的程度就会比较多。
2.螺栓的强度不够高导致的，由于螺栓在承受的压力如果大于螺栓的强度，那么螺栓就会很容易出现断裂的现象。
因此我们在使用螺栓的时候最好能够了解一下该螺栓所能够承受的强度是多大，这样我们就能够选择高于这个强度的螺栓，螺栓断裂的可能性也会减少很多。
3.制造不合格导致的，很多的螺栓会因为生产不合格，这样就没有办法发挥出标准螺栓的质量，在一定程度上就会导致了螺栓的断裂。
我们在生产螺栓之后一定要经过检测，这样才能够保证螺栓是合格的才进行销售，这个也是对于消费者的一种最基本的保证。
4.由于螺栓的疲劳强度导致的。
螺栓会断裂最多的因素就是由于螺栓的疲劳强度所致。
我们在使用螺栓一开始是没有什么问题的，但是在经过物件的作业之后就有可能会产生一定的松动，在松动的时候继续作业是会让螺栓的疲劳强度增大，在到达了螺栓所能够承受的范围极限，那么螺栓也就随之断裂了。
2、预防螺栓断裂的措施：1.塞加垫铁2.改进螺栓加工工艺3.改进标准节加工工艺3、螺栓的质量有螺栓的长度、规格、类别、连接形式等条件决定。
4、螺栓的预紧力矩使得螺栓受到拉应力、剪应力两种力，而预紧力的控制是为了保证法兰连接系统紧密不漏、安全可靠地长周期运行，垫片表面必须有足够的密封比压，特别在高温工况下垫片会产生老化、蠕变松弛，法兰和螺栓产生热变形，因此高温连接系统的密封比常温困难得多，此时螺栓预紧力的施加与控制就显得十分重要，过大或过小的预紧力都会对密封产生不利影响。
螺栓预紧力过大，密封垫片会被压死而失去弹性，甚至会将螺栓拧断；过小的螺栓预紧力又使受压后垫片表面的残余压紧应力达不到工作密封比压，从而导致连接系统泄漏。
因此如何控制螺栓预紧力是生产实际中必须重视的问题。
5、螺栓的抗拉强度和屈服强度决定了螺栓的强度，强度越大，通常寿命越大。
超高强度螺栓断裂失效分析
超高强度螺栓断裂失效分析摘要：螺栓作为重要的紧固件，其失效事故较多，危害极大。
其中，螺栓氢脆断裂是一种常见的失效模式。
由于氢脆主要与批次问题有关，因此危害更大。
螺纹连接是发动机部件之间最常用的连接，约占发动机连接的70%。
螺栓的应力特性决定了它是发动机的薄弱部分。
因此，连杆螺栓的失效分析和预防非常重要。
对超高强度螺栓的断裂失效进行了分析。
关键词：超高强度螺栓；断裂破坏；氢脆超高强度螺栓是经过铆接和焊接而发展起来的一种钢结构连接形式。
它具有结构简单、可拆卸、承载力大、抗疲劳、安全等优点。
因此，高强螺栓连接已发展成为工程安装的主要手段。
1例分析某轴承上使用了某种类型的高强度螺栓，其强度要求非常高。
经过5个月的生产检验合格后，发现部分螺栓螺纹处相继断裂。
该类高强螺栓为铰孔螺栓（螺纹长95mm），材质为35CrMnSiA钢，规格为M56，螺纹长235mm，强度要求符合gb/t3077-1999。
制造工艺如下：坯料电渣重熔→预处理→超声波探伤→粗加工（单边余量3～5mm）→淬火和回火处理（950℃淬火、630℃回火）→半精加工→淬火热处理（淬火温度900℃，310℃回火）→机械性能检查→完成→磁粉探伤（含螺纹）→表面油漆保护→装配目前，无损检测方法无法检测出螺栓内部0.2mm以下的微裂纹。
通过金相检验、氢含量检验和断口扫描电镜分析，对断裂的螺栓和未断裂的随机试样进行了检验，并分析了断裂原因。
2实验方法和结果2.1受试者。
试验对象为2个此类螺栓，包括断裂的铰制螺栓和1个相应的相同类型的未断裂螺栓。
2.2外观检查。
目测第一螺纹段铰制螺栓断口齐平，无塑性变形，断口垂直于轴线，为一次性脆性断裂。
断口附近有明显的腐蚀痕迹。
2.3化学成分分析。
对两个螺栓样品的化学成分进行了测试和分析。
结果表明，两个螺栓的化学成分均符合标准。
2.4氢含量检测。
对断裂铰孔螺栓和未断裂铰孔螺栓的光杆边缘、r/2和芯部进行了氢含量检测。
断裂和未断裂螺栓的光杆边缘和芯部的检测结果基本相同，r/2处的检测结果差异较大，分别为2.0×10-6和0.6×10-62.5断裂分析。
螺栓断裂断口分析
电机驱动
10
零件名称：焊接螺栓
材质： Q235
供应商： 无信息
2.初步实验结论：
对断口进行金相和扫描电镜观察，判断是一个应力腐蚀导致断裂的失效，是一个长期积累的过程。 金相观察发现，失效螺栓表面以及断口部分区域发生了较为严重的腐蚀。同时可以观察到断口面 裂纹由外部向内部扩展的现象，在应力（主要拉应力）和腐蚀的双重作用下，导致了焊接螺栓的 失效。
严重腐蚀痕迹，因此腐蚀已经长期存在于褐色区域。而白色区域对应的是断裂过程中新产生
的瞬断面。
2.断面可以发现很多裂纹，这是由于应力以及腐蚀对材料本身造成破坏形成的。属于典型的应
力腐蚀特征。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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生产问题材料失效分析-焊装一车间螺栓断裂问题分析
4.检验结果：
4.1金相结果-侧面
侧面长期接触磨损
结果分析： 1.螺栓断裂侧面，发现有亮银色金属光泽，同时表面相对平整，判断此处处于长期的硬接触磨 损面。很有可能因为磨损导致此处原有的表防性能，力学性能下降，在此处发生腐蚀最容易 入侵螺栓内部，造成最终实效。 2.侧面可以观察到肉眼可见裂纹。
结果分析： 1.断口腐蚀区域的成分（左图）。主要的成分是的Fe的氧化物，即Fe的腐蚀产物。
2.断口瞬断区域的成分（右图）。主要成分为Fe，此处未发生氧化腐蚀。
7
生产问题材料失效分析-焊装一车间螺栓断裂问题分析
4.检验结果：
4.4表面腐蚀观察
2.断裂起源：由外向内的应力腐蚀
未腐蚀区域 X10倍
腐蚀区域 X10倍
生产问题材料失效分析-螺栓断裂问题分析
螺栓断裂分析
1
生产问题材料失效分析-螺栓断裂问题分析
1.问题描述：
螺栓断裂文档
螺栓断裂引言螺栓是一种常用的紧固件，广泛应用于各个领域，如机械制造、建筑工程、汽车制造等。
然而，螺栓的断裂是一种常见的故障，会导致设备的停工和安全隐患。
本文将探讨螺栓断裂的原因、预防措施以及处理方法，以期提高螺栓的可靠性和安全性。
螺栓断裂的原因螺栓断裂的原因复杂多样，主要包括以下几个方面：1. 过载当螺栓承受超过其承载能力的载荷时，会发生断裂现象。
这可能是由于设计不合理、材料不符合要求或者使用过程中的意外超载造成的。
因此，在设计和使用过程中，需要对螺栓进行充分的强度计算和载荷分析，合理选择螺栓材料和尺寸，以避免超载断裂。
2. 疲劳螺栓在长时间的工作循环中，受到的循环载荷会引起疲劳断裂。
循环载荷包括振动、冲击、震动等，这些载荷会在螺栓表面产生应力集中，从而导致疲劳裂纹的形成和扩展。
为了预防螺栓的疲劳断裂，需要选择高强度的材料、合理的表面处理和正确的安装方法。
3. 材料质量螺栓的材料质量直接影响其断裂的风险。
低质量的材料可能存在成分不合格、缺陷、夹杂物等问题，这些缺陷会降低螺栓的强度和抗疲劳性能，增加断裂的风险。
因此，在购买和使用螺栓时，应选择信誉好的供应商，并进行材料质量检测。
4. 安装错误错误的安装方法也会导致螺栓断裂。
例如，过紧或过松的拧紧力矩都会对螺栓产生不良影响，造成松动或者断裂。
正确的安装方法包括合理的拧紧力矩、均匀的力分布和正确的工具使用等。
螺栓断裂的预防措施为了避免螺栓断裂，可以采取以下预防措施：1. 合理设计在设计上，应充分考虑螺栓的承载能力和工作环境，选择合适的材料、尺寸和标准。
合理的力学计算和工程分析可以保证螺栓的强度和可靠性。
2. 材料检测在采购螺栓时，应选择信誉好的供应商，并进行材料质量检测。
对于重要的工程项目，可以采用无损检测等方法来检测螺栓的材料质量和缺陷情况。
3. 正确安装正确的安装方法是避免螺栓断裂的关键。
在安装过程中，应遵循螺栓的安装规范，包括拧紧力矩、工具使用、力分布等。
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测试与分析
螺栓断裂失效原因分析
华南理工大学机电系(广州 510641) 高 岩 李 林 许麟康
【摘要】 合金结构钢(相当于我国35CrMo钢)制螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖,在生产线上用气动搬手装配时相当部分发生断裂。
失效分析结果表明,机加工时螺纹根部及表面形成微裂纹,以及回火不足,硬度偏高,共同造成了螺栓失效。
关键词:低合金钢 螺栓 微裂纹
F ailure Analysis on the Fracture of Bolts
G ao Yan,Li Lin,Xu Linkang
(Department of Mechano2Electronic Engineering,S outh China University of Technology,Guangzhou510641)【Abstract】 A batch of bolts with size of M4×1135used to connect cylinder body and cover of air conditioner com pressor were made of imported low alloy steel close to35CrMo in com position1However,a great proportion of the bolts fractured when being assembled us2 ing pneumatic spanner1After failure analysis,it was found that the main reason for the ru pture of bolts was the micro2cracks induced by machining.At the same time,non2enough tempering which resulted in the brittleness of the material also accounted for the fracture1 K ey w ords:low alloy steel,bolt,micro2crack
某标准件公司一批螺栓,规格为M4×1135,材料为合金结构钢,相当于我国的35CrMo钢,冷墩头部,搓制螺纹,热处理工艺为淬火+回火,并进行发兰处理,规定σb>1000MPa, (32～38)HRC。
螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖,但在生产线上用气动搬手装配时相当部分螺栓在与螺栓交截的第二、第三螺纹牙根处发生断裂。
我们对该批螺栓的断裂原因进行了分析。
1 金相观察及硬度分析
在一批断裂螺栓中随机选取2个断裂螺栓头,将其沿轴向剖开,制备轴向剖面的金相试样,抛光状态(未侵蚀)下可见在螺纹尖端和根部有明显裂纹存在(图略);这些微裂纹由于高度的应力集中,在外力作用下极容易发生失稳扩展,从而导致螺栓断裂。
将上述抛光态试样用3%硝酸酒精溶液侵蚀后在显微镜下观察,发现其组织形态都很相似,为保持原马氏体位向的回火索氏体,见图1所示。
35CrMo钢用作螺栓时,应有较好的综合力学性能,其组织应以调质状态为佳,即淬火+回火后得到回火索氏体。
而本例中螺栓组织状态虽是回火索氏体,但原马氏体位向十分明显,显然会使材料的塑性和韧性受损,脆性增加,材料硬度也会增加。
沿螺牙顶端到根部依次打硬度,所得结果见表1,可见硬度范围为(37～41)HRC,偏高于螺栓规定的硬度范围。
螺栓硬度偏高的原因主要是回火不足或不充分造成的。
2 扫描电镜观察分析
为弄清螺栓断裂的机理,按断口形貌特征选取了9个样品,将其用物理方法清洗干净后置于扫描电镜下进行观察,发现断口有3种类型:第1类是断口边缘只有一个剪切唇(1号样品),第2类是断口边缘有2个剪切唇(2号样品),第3
高岩:女,35岁,工学硕士,讲师,曾以访问学者身份在葡萄牙焊接质量研究所(ISQ)工作,兼任中国机械工程学会失效分析分会失效分析工程师。
主要从事高温合金,金属材料的腐蚀与防护,失效分析及工业设备寿命评估等方面的工作。
已在国内外学术刊物上发表论文10余篇。
收稿日期:1997年8月19
日。
图1 螺栓基体组织 ×500
表1 螺栓的硬度HRC
选点12345
试样14137393937
试样24039.5413937
类是断口边缘有3个剪切唇(3号样品),且以第3类断口数量居多。
图2是2号样品的宏观断口形貌。
这些断口边缘除剪切唇处或凸起或凹进以外,其余边缘处都较平滑,这与一般断裂由心部起源,最后断裂边缘处为杯口状剪切唇的断口形貌特征显然不同,而且,从断口的放射辉纹的走向看,断裂的起源都在断口的边缘即螺纹的根部上,而不是在螺栓的心部。
对3类断口分别在扫描电镜下进行了详细的观察,图3a～3d 为2号样品的微观形貌。
a是始断区,从右侧的螺纹面上可见明显发兰处理后的表面氧化膜,在螺纹面与断口的交界处(即螺纹根部)可见二次裂纹和摩擦痕存在;将a放大至b,可见摩擦痕底下是氧化物,而摩擦痕明显位于断口一侧,由此可以推断:此摩擦痕处在断裂前就已经有裂纹存在,裂纹为搓制螺纹时所产生,在随后的发兰处理过程中此裂纹内部也进行了发兰处理,形成了氧化膜,其形态与螺旋表面的发兰膜相
43《金属热处理》1998年第2期
图2 2号断口的低倍形貌
似,在生产线上装配时,此裂纹作为裂纹源,在外力作用下迅
速发生失稳扩展,导致螺栓被扭断,而其上的氧化膜也在扭断过程中受摩擦而形成摩擦痕;c 是a 中断口部位的局部放大,可见为典型的韧窝聚集型断口;d 是靠近终断区的形貌,可见终断区仍为韧窝聚集型断裂,只是与始断区相比,终断区的韧窝有被拉长的痕迹。
图4是1号样品始断区低倍形貌,可见断口与螺纹面交界处有一厚薄不均匀的发黑区域,将其放大时其特征与2号样品始断区特征相同;对其余断口也进行了观察,发现其特征与1号、2号样品的特征都相同。
由此可见,虽然上述3类断口宏观形貌有些不同,但其微观断裂机理都是一致的,即都是以螺纹根部的搓制裂纹为断
图3 2号样品的微观形貌
(a )始断区 (b )始断区 (c )中心区 (d )
终断区
图4 1号样品始断区的微观形貌
裂起源处,在生产装配应力作用下裂纹发生失稳扩展,引起螺
栓瞬间断裂。
断口宏观剪切唇数量的不同主要与螺纹根部的裂纹源数目不同有关。
3 结论
(1)在搓制螺纹过程中在螺纹根部及表面形成了微裂
纹,这些微裂纹在随后的生产装配应力作用下迅速发生失稳扩展,造成螺栓瞬间发生多源或单源断裂失效。
(2)螺栓回火不足,硬度偏高,造成材料脆性增加,这有助于裂纹的失稳扩展。
(3)螺栓断裂虽是在外部装配应力作用下的瞬间断裂,但由于材料较好的韧性,其断口仍主要表现为韧窝聚集型断裂的特征。
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3《金属热处理》1998年第2期。