标准螺栓常见断裂原因及主要特征

杨 维，李 益，张 冲

（中交西安筑路机械有限公司，陕西 西安710200）



设备管理与维修

标准螺栓常见断裂原因及主要特征

杨 维，李 益，张 冲

（中交西安筑路机械有限公司，陕西 西安710200）

摘要：在筑养路设备制造过程出现了多起标准螺栓批量断裂事故，针对螺栓断裂的常见原因及主要特征进行了分析、归纳。提出标准件的断裂形式主要为氢脆断裂和脱碳疲劳断裂两种失效形态，并对其断裂特征分别进行了阐述。结果表明：螺栓断裂主要受加工过程工艺因素影响，氢脆断裂是由于电镀驱氢不彻底造成，脱碳疲劳断裂是因热处理工艺不当引起。

关键词：螺栓；氢脆；疲劳断裂；脱碳层

标准件，亦称紧固件，它是机械设备生产安装和调试过程应用最广泛的机械基础件，在筑养路机械设备的制造生产过程中应用量极大。标准螺栓是用于联接和紧固零部件的元件，若性能可靠性出现问题将会直接导致设备故障，甚至引起重大事故发生，但是，在实际应用过程中经常会产生断裂现象，让人很难预测。大多认为螺栓的断裂是由于抗拉强度、疲劳强度所致，其实不然，在设计过程必然会进行等级强度核定，经过反复试验，且有严格的性能检测标准[1]，因螺栓的强度不够而损坏的可能性很小，但也不排除有个别螺栓紧固件因预紧力矩太小或过大引起失效。经过大量的分析、考查，证实其大多数的标准件断裂主要是由于加工工艺因素导致了产品质量问题。

据统计，2014年3月至2015年底某公司因标准件批量断裂问题引起的设备故障事故为5起，给该公司带来了巨大的经济损失，且造成了极大的不良影响。为此，本文针对标准件批量断裂的原因进行了分析，并提出了主要的常见断裂原因及特征体现，为后续判断标准件的失效分析提供了一些理论参考依据，可以从根本上对标准件的质量控制与失效预防起到一个预期的效果。

1　断裂概况

在筑养路设备制造行业中，为了保证紧固件具有更高的安全性、可靠性，所要求供应商提供的紧固件产品为零缺陷，多选用材料为40Cr或35CrMo等级8.8级以上的电镀标准件，该类螺栓均经过热处理调质、机加工、电镀等工艺生产流程。但在设备安装、调试或后期设备运行过程中出现了多起螺栓批量断裂事故，其螺栓规格为M10×35和M20×80范围之间。其中图1为一典型的同批螺栓断裂视图，该型螺栓断裂于螺纹处同一位置，断口形貌相似，均为脆性断裂特征。

图1　螺栓断裂视图

2　常见断裂原因及主要特征

2.1氢脆断裂

氢脆断裂是紧固件产品比较常见的一种失效形式，是零件在低于材料屈服强度的静应力作用下因氢含量较高而导致的一种失效，是由于电镀酸洗过程中氢渗入金属内部导致的损伤[2]，具有突发性，因此氢脆断裂具有极大的破坏性。产生氢脆因素主要与氢含量有关，但也与钢中的碳含量、显微组织、强度以及零件所受应力等因素有关，材料强度越高，所受应力越大，其氢脆敏感性越大。但其氢脆断裂特征尤为典型。

（1）断口形貌鲜明

如图2所示，螺栓断口扫描电镜形貌为常见断口，无明显塑性变形，有放射状条纹收敛于断口边缘，根据条纹走向可判断起裂源位于螺栓断口左上部边缘。

图2　螺栓断口扫描电镜形貌

图3为裂纹源处断口微观形貌，为典型的冰糖状沿晶断口，沿晶面上存在明显的“鸡爪痕”，并伴有晶间二次裂纹，该特征为特有的氢脆断口形貌[3-4]。

图3　裂纹源处断口微观形貌

（2）氢含量偏高

对该类型断裂螺栓残件进行氢含量测定，会发现断裂残件断裂部位的氢含量明显高于螺栓其他部位，说明已有较多的氢由螺栓断裂部位渗入螺栓内部。对于高强螺栓，氢脆敏感值必须严格控制，若螺栓氢含量高于0.0005%范围，就极其危险，很可能引发氢脆现象[4]。

2.2脱碳疲劳断裂

疲劳断裂也是螺栓最常见的一种失效形式，若热处理工艺不当，螺栓表层会产生脱碳层，致使材料表层组织和心部组织产生差异，降低了螺栓的表面强度和硬度，疲劳强度下降明显，在螺纹颈部过渡R处应力集中区，疲劳裂纹易于萌生，引起疲劳断裂[5]。该类断裂的主要特征为较厚的脱碳层存在，体现如下。

2.1.1金相组织

在断裂螺栓的横、纵截面分别截取金相试样，经镶嵌、磨抛、4%硝酸酒精溶液侵蚀后，置于光学显微镜下观察，从试样表层至心部进行显微组织分析。

图4为断裂螺栓纵截面的显微组织，可见螺纹脱碳层深度已远大于外螺纹牙型高度的1/2，脱碳层明显，不符合GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉、螺柱》对螺栓螺纹深度规定的技术要求。

图4　断裂螺栓纵截面的显微组织

从螺栓的横截面试样观察，会发现表层与心部的显微组织完全不同[6]，如图5表层的显微组织为大量铁素体，呈羽毛状或三角状；图6心部的显微组织为回火索氏体和少量片状铁素体。可见螺栓螺纹表层与心部组织不同，表层区域脱碳现象严重。

图5　表层的显微组织

图6　心部的显微组织

2.2.2硬度检测

从断裂螺栓螺柱部位切取横向试样，经镶嵌、磨抛后使用2.94 N（300 gf）载荷从试样表面至心部进行显微硬度梯度检测，按GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉、螺柱》脱碳层测定要求，当螺纹中径线位置表面硬度小于心部硬度30HV0.3数值，说明螺栓表面存在明显脱碳现象。如图7螺栓表面硬度梯度分布，2至3段为心部平稳区，1至2段为脱碳层深度，HV2>HV1+30，从图可见螺栓表面脱碳层深为0.3mm，严重脱碳。

图7　螺栓表面硬度梯度分布图

3　结束语

（1）螺栓批量断裂现象主要因加工过程工艺因素导致，常见的标准件断裂形态为氢脆断裂和脱碳疲劳断裂两种失效方式，氢脆断裂是由于电镀驱氢不彻底造成，脱碳疲劳断裂是因热处理不当引起。

（2）氢脆断裂是电镀过程酸性介质接触造成大量氢聚集，对其周围物质产生巨大压力，螺栓硬度高，使得材料对氢敏感性增强，两者结合导致发生氢脆延迟断裂。从工艺控制来讲，在不影响镀层质量前提下，为了彻底除氢可以适当提高驱氢温度、延长保温时间，也可考虑直接选用发黑处理。同时，为了进一步排除螺栓氢脆倾向，在检测过程可以根据GB/T3098.17-2010进行氢脆预载荷试验[7]，防止氢脆现象。

（3）脱碳疲劳断裂是热处理不当所引起的表面脱碳层所致。脱碳层的存在会降低钢的耐磨性和抗疲劳性能，螺栓表面脱碳使其表层组织和心部组织产生了差异，导致自身的表面疲劳强度降低，且很容易在脱碳层应力集中处萌生疲劳裂纹源，进而在受力状态下必然产生疲劳断裂。在热处理过程可以通过严格控制加热保温时间，改用保温气氛好的真空炉或盐浴加热炉设备的措施来预防脱碳层的产生，从而有效地控制螺栓的疲劳断裂。

参考文献：

[1]GB/T3098.1-2010，紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱[S].

[2]任颂赞，张静江.钢铁金相图谱[M].上海：上海科学技术文献出版社，2003：714-715.

[3]王慧，陈伟峰.汽车方向盘自挤螺钉断裂分析[J].理化检验-物理分册，2013，49（3）：194-196.

[4]蒋佩华，王蔚，王慧.12.9级内六角圆柱螺栓断裂失效分析[J].理化检验-物理分册，2013，49（8）：560-562.

[5]王荣，李玲.蜗轮连接螺栓断裂失效分析[J].理化检验-物理分册，2012，48（6）：397-402.

[6]吴继权，赵昆玉，沈创谦.40ACR高强螺栓断裂原因分析[J].理化检验-物理分册，2015，51（3）：203-205.

[7]GB/T3098.17-2010，紧固件机械性能检查氢脆用预载荷试验平衡支承面法[S].

中图分类号：TG115

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）04-0172-03

收稿日期：2016-01-06

作者简介：杨维（1980-），西安人，男，本科，工程师，研究方向：金属材料理化检测及失效分析。

Common Fault Causes and Characteristics for Standard Bolt

YANG Wei，LI Yi，ZHUANG Chong
（CCCC Xi’an Road Construction Machinery Co.Ltd.，Xi’an 710200，China）

Abstract:In road construction and maintenance equipment manufacturing process there have been many batches of standard bolt fracture.In this paper，the common cause and main characteristics were analyzed and summarized. Two main failure modes for standard bolt what hydrogen embrittlement and carbon-induced fatigue fracture have been proposed，and related features are described.Results show that the bolt is mainly influenced by process technology factors，hydrogen embrittlement fracture was caused by incomplete plating hydrogen removal，carboninduced fatigue fracture was due to improper heat treatment process.

Key words:bolt；hydrogen embrittlement；fatigue fracture；decarburized layer