螺栓件断裂失效分析

吴斌伟，王超英，杨伟春

螺栓件断裂失效分析

吴斌伟，王超英，杨伟春

（国家中小型轴承产品质量监督检验中心，浙江 新昌312500）

通过扫描电镜观察、低倍组织试验、硬度测试、金相组织分析等技术手段，对断裂螺栓件的失效原因进行分析和讨论，结果发现材料中心疏松是螺栓件脆性断裂的主要原因。

螺栓；失效分析；脆性断裂；中心疏松

1 前言

螺栓紧固件是配用螺母的圆柱形带螺纹的紧固件，由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一类紧固件，需与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件，是不可缺少的机械零件，由于其在日常生活和工业制造中的广泛应用，被称之为工业之米。

螺栓的质量安全直接影响到整个产品的质量安全，其寿命的长短直接决定了产品的使用寿命，因此对失效的螺栓紧固件进行失效分析显得尤为重要。 按照失效的不同形式可把失效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。

通常造成螺栓失效的来源主要有以下方面：设计、选材、材料缺陷 、制造工艺（冷热加工、表面处理等）、贮存、运输（碰撞、锈蚀）、装配（如螺栓拧紧力矩）、工作条件（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。

2 螺栓失效概况

图1为客户提供的样品，是已失效的螺栓产品的一部分，螺栓材料为20CrMnTi,热处理工艺为渗碳淬火，要求渗层为0.9～1.2 mm，客户产品在装机后运行中出现断裂，但未能提供产品在运行时的受力情况，要求分析断裂的原因。

图1 失效螺栓样品形貌

3 检测分析

3.1宏观分析

利用体式显微镜对螺栓件进行宏观观察，发现螺栓件断口，其外层为浅瓷色，而心部有锈蚀的痕迹，呈泥黄色。 从断口的粗糙程度可以发现，断口粗糙，韧性纤维断裂所占比重较大，脆性断裂所占比重大。 而从断口颜色观察，断口灰暗，塑性大。

图2 断口形貌

3.2电镜分析

用汽油清洗螺栓件，干燥后利用扫描电镜进一步观察，在扫描电镜下观察断口形貌，结果如图 3所示，我们可以看到从断口形貌呈冰糖葫芦态，属于冰糖状断口，属脆性断裂。同时，在断口心部，发现显微孔隙，如图 4、图 5所示。

图3 电镜扫描断口形貌

图4 显微孔隙

电镜发现显微孔隙主要分布在心部，有大小不一的孔隙5个，怀疑为材料疏松造成。

3.3低倍组织试验

利用线切割设备，通过制样，抛光等步骤对断口进行表面处理，将样品进行低倍组织试验，如图 6所示，发现样品有明显的中心疏松。

图5 高倍显微空隙

图6 低倍组织

3.4硬度测试

技术要求规定，20CrMnTi轴经过渗碳处理，表面W(C)＞0.8%时得到高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体，具有高的硬度，硬度高达60～66HRC，心部得到马氏体+残余奥氏体，硬度在35～45HRC，经过回火处理后可以满足零件的性能要求。

表1 断口硬度测量结果 / HRC

参照20CrMnTi技术要求，发现螺栓件渗碳层硬度符合要求，而心部硬度高于35～45HRC的技术要求。

3.5金相组织

心部组织为板条状马氏体，贝氏体加少量铁素体，属于正常的渗碳淬火后的心部组织，见图7所示。

渗碳层深度约为0.9mm，符合其热处理工艺渗层为0.9～1.2 mm要求，见图 8所示。

图7 心部金相组织

3.6失效分析

从扫描电镜分析、硬度测量、低倍组织及金相组织分析结果可以判断，螺栓件断裂失效是由于材料的中心疏松引起脆性断裂造成的。由于未能了解样品在使用中的实际工况，因此对失效的机理无法进一步分析。建议生产厂家加强对原材料的控制，特别是低倍组织的控制。

图8 表面渗碳层组织

4 结束语

综合以上分析，造成螺栓件断裂失效是由于材料中心疏松而引起冰糖脆性断裂。可见，对于一个产品其能否有一个好的质量，有一个好的使用寿命，其最直接的不是设计、制造工艺、工作条件，而是原材料质量。加强原材料进厂质量控制是一个企业的重中之重。

（编辑：王立新）

Analysis of bolt fracture failure

Wu Binwei ,Wang Chaoying , Yang Weichun
(National Bearing Products Test Center, Xinchang 312500,China)

Through scanning electron microscope ( SEM ) ，macroscopic tests，hardness testing and microstructure analysis,the failure reasons of the bolt was analyzed and discussed.It was observed the center porosity of the material was the main reason of the brittle fracture bolt.

bolt;failure analysis;brittle fracture ;center porosity

TH131.3

B

1672-4852（2015）01-0051-03

2014-12-08.

吴斌伟（1986-），男，工程师.