螺纹紧固件失效分析案例(第2部分)

5．金相组织分别对未断与断裂螺钉和螺母各1件纵向解剖进行金相观察。

图8为试样末浸蚀时的低倍形貌。

a 25×b 50×c 25×图8 螺钉纵剖金相磨面（a、b—螺钉，c—螺母）从图可以清楚地看到，螺钉在牙的侧面存在明显的裂纹，每个牙上裂纹的位置与形态完全一致，将裂纹放大后（图8b）可以明确判断，上述裂纹实际上是螺钉在搓丝过程中形成的折叠。

折叠处（图8b中的A处）的显微硬度为540HV，0.05明显要高于其他部位的渗碳层的硬度，此系A处两面渗碳的结果，这点同时也说明上述裂纹在热处理前业已存在。

另外，对一个断裂的螺钉解剖后发现，在过渡圆角处存在细微裂纹（图9），浸蚀后观察，该裂纹沿晶扩展（图10），这与断口源区扫描电镜下观察到的沿晶断裂特征（图3）完全吻合。

在裂纹周围也未发现非金属夹杂物聚集和沉淀相析出。

图9 断裂螺钉圆角处的裂纹50× 图10 图9裂纹浸蚀后的放大形貌500×螺母牙顶形成双峰（图8C），这也是搓丝工艺不当所形成的。

双峰鞍部形成的不规则尖缺口将对随后的热处理及使用均将产生不利影响。

图11为螺钉渗碳层的低倍形貌及渗层组织，渗碳层为回火屈氏体。

断裂与未断裂螺钉的芯部组织均为板条马氏体，未断螺钉的马氏体板条更粗大些（图12）。

25× 100×图11 螺钉渗碳层形貌及组织a断裂螺钉 b未断螺钉图12 螺钉的芯部组织500×图13为螺母的渗碳层组织，断裂与未断裂螺母的渗碳层组织相同，均系回火屈氏体。

断裂螺母与未断裂螺母的芯部组织则完全不同（图14）。

图13 螺母的渗碳层组织250×a 断裂螺母b 未断螺母图14 螺母的芯部组织 500×断裂螺母芯部组织为绌片状珠光体+铁素体，而未断者为板条马氏体。

这与表1中螺母测定的硬度值完全对应。

6.含氢量分析根据螺钉断口形貌特征及延时断裂特征，加之螺钉经酸洗后镀锌，怀疑有渗H2现象[1]。

因此，对螺钉进行了含氢量测定，采用高频加热——热导法（QB-Q-05-81）。

为了对比，对螺钉和螺母经除H2处理与未除H2处理（原始态）各1件进行了测定。

结果如表2。

表2螺钉H2含量原始态 含H2量0.0005（5ppm）螺钉220℃×3h除H2含H2量0.0006（6ppm）原始态 含H2量0.0006（6ppm）螺母230℃×3h除H2含H2量0.0003（3ppm）显然，螺钉镀锌过程中已显著渗H2，尽管尝试了除氢处埋，螺钉没有显示出效果(和除氢温度和时间不够有关)，螺母中的含氢量虽降低了一半，但仍然很高。

三、结果分析1．原材料从螺钉、螺母的金相组织可以初步判断，材料为低碳钢。

螺钉的断裂表明与材料成分没有关系，因此对材料的化学成分未作且也无必要进行分析。

螺钉的非金属夹杂物未见异常。

2．机加工从检验结果可以明显看出，无论是螺钉还是螺母，在机加工过程中均存在明显的缺陷。

螺钉在搓丝过程中产生了严重的折叠，折叠形成的尖锐缺口，在随后的热处理过程中极易诱使缺口继续扩展。

另外，这种折叠缺口沿周向分布，与外加载荷主应力垂直，由于应力集中效应，很容易使螺钉拧紧时产生的拉应力作用下造成裂纹缓慢扩展，最终导致失稳断裂。

螺钉双峰齿顶的形成同样也是加工螺纹时工艺不当产生的，双峰之间鞍部的尖锐缺口对螺钉的使用性能不利。

3．热处理检验结果表明，螺钉和螺母渗碳层分布及组织没有发现异常。

但断裂螺母的芯部组织为P+F混合组织，完伞不同于未断螺母的板条马氏体组织。

P+F混合组织的力学性能明显要低于板条马氏体，这种混合组织的形成显然是热处理失误的结果。

从螺钉硬度检测结果看，螺钉表面硬度最高值为487HV0.05，高于技术要求(480HV)的上限。

螺母的表而硬度最高值达到36.5～40HRC，大大高丁技术要求28～32HRC的值。

过高的硬度将使螺钉变脆，尤其是在螺钉表面加工质量不良或存在微裂纹的情况下，更易诱发裂纹的形成和快速扩展。

4．氢脆金属材料中存在H，将导致材料脆化。

断口形貌及显微组织（图3，图10）2量测定，表明，螺钉和螺母断口源区为沿晶断口，并观察到鸡爪花样，以及含H2现象。

氢含量过高，将使材料的说明螺钉在电镀（包括酸洗）过程中产生了渗H2塑性、缺口拉伸强度降低，甚至在材料内部形成微裂纹，造成在静载条件下的延时断裂。

存在于金属的原子氢，随着时间的推移，向夹杂、晶界、位错等处移动，形）。

在材料内部产生可高达13000个大气压的压力。

当有氢存在时，成氢分子（H2甚至在小于材料屈服强度40％的外加应力条件下，几个小时便会引起破坏[2]，这种破坏在材料强度高、应力集中较严重的零件中表现尤为明显。

资料[2]中指出，当碳钢的抗拉强度超过105psi(700Mpa)时，极易导致氢损伤。

根据硬度与强度的换算，螺钉和螺母表面层的最低强度极限已达1185Mpa，加之螺纹机加工造成的缺陷引起应力集中，说明螺钉已存在产生氢脆的强度条件。

金属材料中允许的氢含量为多少，尚无严格的标准，但对材料造成损害是确定无疑的。

含氢量的多寡仅表现为对材料损伤程度的差别，因为这里还涉及到一个外力门槛值问题。

换句话说，含氢量高时，在不高的外力作用下便会产生氢致断裂。

含几个ppM氢的碳钢构件发生氢致开裂的案例很多，甚至在含O.6ppM氢的情况出现断裂的案例也并不罕见[2][3]，何况被检螺钉中的氢含量高达6ppM。

螺钉中增氢的原因是由于在酸洗、电镀过程中操作不当引起的。

可靠的方法是在电镀后增加一道除氢处理。

综上所述，螺钉在机加工、热处理、酸洗和电镀过程中均存在轻重程度不同的缺陷。

在此必须强调一点的是，断在螺钉过渡圆角处主要是氢脆的结果，而断在螺纹终止处的螺钉、螺母主要是螺纹加工中形成的缺陷及氢脆联合作用所为。

四、结论1．螺钉在螺纹加工过程中形成的缺陷（折叠、双峰）和酸洗、电镀过程中产生渗氢是螺钉静载延时断裂的主要原因；2．螺钉和螺母表面硬度过高(尤其是螺母)，以及螺母的芯部组织的不同(有的为P+F，有的为M板条)，说明热处理工艺不稳定，对螺钉的使用寿命有一定的影响。

参考文献：[1]L.Engel Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen Von Metallsschaden[2]美国金属学会 金属手册 第八版第十章 1975年[3]中国机诫工程学会材料学会主编 轴及紧固件的失效分析 1988年3. 紧定螺钉断裂原因分析报告某公司送检两个失效紧定螺钉，两个螺钉在使用中约经100次开合后便发生断裂。

螺钉规格为M8×25。

送检样品均为断裂后靠螺钉头部的一段（以下简称为1号钉和2号钉）。

一、检验1．外观图1为送检的两个断钉的外观形貌，根据其头部为内六角的结构形式，可判断螺钉的性能等级为45H（GB/T3098.3-2000）。

螺钉表面经发黑处理，宏观未见塑性变形及伤痕。

断口与螺钉轴线垂直，为切断型断裂。

图1 断钉外观形貌2．断口断口经丙酮和超声波反复清洗后，在扫描电镜下观察。

图2为两个断口的低倍形貌。

1号钉 2号钉图2 两个断口的低倍形貌由图可见，两个螺钉均在牙根处断裂。

1号钉断口比较平坦，裂纹扩展线依稀可见。

2号钉扩展线比较明显。

两个螺钉断口均可分成为三个区域：断裂起始区；裂纹扩展区；最后瞬断区。

根据裂纹放射扩展线的收敛方向，可以确定断裂的起始源区。

1号钉断裂源区为一个，2号钉断裂源区为两个（图2中箭头所指），2号钉两个断裂源区引发的断裂面相交处形成一个明显的剪切台阶。

由放射条带的收敛处不是一个点，而是一个区可判断，断裂源区存在的是条带状缺陷。

将1号钉断裂源区高倍放大（图3），从图象中可以看到，源区附近的一个窄小区域显示出沿晶断裂特征，并可见腐蚀产物形貌。

基体的断裂微观形貌为准解理+撕裂棱+二次裂纹。

2号钉的断口微观形貌（图4）与1号钉的完全相同。

a bc d图3 1号钉断口扫描电镜微观形貌a－断裂源区的沿晶形貌；b－图a 的放大c－邻近源区的螺钉表面的网状裂纹（箭头所指）d－螺钉基体的断裂形貌（准解理+撕裂棱+二次裂纹）a bc d图4 2号钉断口扫描电镜微观形貌a、b、c——两个断裂源区的沿晶断裂以及邻近源区的螺钉表面的网状裂纹（箭头所指） d－螺钉基体的断裂形貌（准解理+撕裂棱+二次裂纹）3．金相沿螺钉轴向切取试样做金相观察。

图5为螺钉原材料中的非金属夹杂（两个螺钉的情况相同，仅以1号钉为例示如图5）。

根据GB/T10561－1989（ASTM标准评级图）评定，各类夹杂物级别为A类：0.5级 B类：1级C类：0.5级 D类：1.5级图5 螺钉材料中的非金属夹杂物 100×螺钉基体的金相组织均为保持马氏体位向的回火屈氏体（图6），2号钉的组织比较粗大。

1号钉 2号钉图6 螺钉的基体组织 500×在两个螺钉的金相磨面上可观察到同样下述缺陷特征（图7）：①牙顶折叠裂纹牙顶折叠裂纹的最大深度：1号钉为0.18mm，2号钉为0.20mm。

另外在2号钉的牙侧，中径线以下也观察到一条深度为0.024mm的折叠裂纹。

②牙底、牙侧的锯齿状缺口和网状裂纹在牙底观察到的网状裂纹及深度与断口源区存在一薄层沿晶断裂特征相吻合。

a 25×b 100×c 100×d 250×e 25×f 100×g 100× h 250×图7 两个螺钉的缺陷a、b、c、d－1号钉的牙顶折叠裂纹以及牙侧、牙底的锯齿状缺口及网状裂纹e、f、g、h、i－2号钉的牙顶、牙侧折叠裂纹以及牙侧、牙底的锯齿状缺口及网状裂纹4．硬度1号钉：514 HV102号钉：506 HV10二、分析讨论检测结果表明，两个螺钉的硬度均在GB/T3098.3-2000所规定的450－560 HV 范围内。

材料的非金属夹杂和金相组织未见异常。

两个螺钉在生产制造中存在同样的下述两个问题：1．牙顶折叠裂纹如前面所述，两个螺钉的牙顶折叠裂纹深度都超过0.18mm，根据GB/T5779.3－2000的规定，该尺寸的螺钉牙顶折叠裂纹深度最大值不允许超过0.17mm，据此可以认为，所分析的两个螺钉为不合格品。

2．牙底的锯齿状缺口及裂纹由螺钉牙底直径小和它的形状特征决定了该处为最容易破断的区域，牙底存在的如图7所示的缺口及网状裂纹将使该处的工作应力进一步提升，从而导致螺钉的断裂。

根据两个螺钉牙侧、牙底密布的缺口及网状裂纹，以及断口源区的沿晶断裂特征和存在的腐蚀产物形貌，可以推断，该类缺陷的产生是由于螺钉在酸洗、发黑的过程中过腐蚀的结果。

三、结论1．两个螺钉断裂的原因完全相同，都是由于牙底存在尖锐缺口及网状裂纹引起的。