常见的紧固件断裂失效案例分析

李岳烽，黄 珂，谭 锋，谭彦显

（1.湖南省产商品质量检验研究院，湖南长沙 410007；2.湖南申亿精密零部件股份有限公司，湖南长沙 410116）

0 引言

紧固件是将两个或两个以上的零件（或构件）紧固连接成为一个整体时所采用的一类机械零件的总称。其体积小、成本低，且标准化、系列化、通用化的程度极高，对工业成品的重要性不言而喻。

金属紧固件无处不在，是应用最广泛的机械零部件[1]，可将其分为螺栓、螺钉、螺柱、螺母、木螺钉、自攻螺钉、垫圈、铆钉、销、挡圈、链接副和紧固件、组合件等13 大类[2]。这些机械零部件都具备一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。当这些零件失去其原有的功能时，则称该零件失效[3]。在整个生命周期中紧固件都存在失效的风险，工程上通常按照产品失效后的外部形态将失效现象分为过量变形、断裂及表面损伤。其中，由环境介质和疲劳引起的断裂是目前高强度紧固件最常见也是损失最大的失效形式[4]，具体分类见表1。

表1 断裂失效形式分类及原因

针对以上3 类紧固件断裂失效形式的案例分别进行讨论与分析，为预防紧固件失效提供理论基础和参考。

1 环境介质引起的断裂

环境介质引起的失效是指由环境介质、应力共同作用引起的低应力开裂及破断失效情况，主要包括应力腐蚀、氢脆、液态金属脆化和腐蚀疲劳[5]。大多数的金属紧固件产品均处于一定的应力（内应力或外加应力）和环境介质的联合作用下，所以应力作用下的腐蚀最为常见，是影响结构安全可靠性的重要隐患之一[6]。通常引起应力腐蚀的介质并无强烈的腐蚀性，在没有施加应力的条件下，这种腐蚀介质并不会对零件产生严重的破坏；当零件承受的应力远小于强度极限时，如果没有腐蚀介质也不会发生破坏。但应力条件和腐蚀条件同时存在后，应力腐蚀就可能使零件产生严重的破坏。应力腐蚀一般是在其承受的应力值远低于材料使用应力的情况下突然发生，通常沿某些冶金或结构缺陷（包括尖角、内应力集中处）优先腐蚀造成裂纹核心，并且随着时间的延长做缓慢亚临界扩展，经过相当时间后裂纹达到临界尺寸，便突然脆断[7]。应力腐蚀的特点有：裂纹在宏观上较平直，但多可见分叉、花纹及龟裂，微观裂纹一般既有主干又有分支，裂纹的尖端较锐利；断口在宏观上比较粗糙，多呈结晶状、放射状，微观上常有撕裂棱，晶间呈冰糖块状花样，无辉纹出现[8]。

图1 为湖南省产商品质量检验研究院检测在装配过程中断裂的风力发电机高强螺栓断裂后的断口截面宏观形貌，对其断口进行超声波清洗后可见螺栓断口有大面积、较明显的放射花样，静载荷下宏观断口放射花样放射源放射方向应与裂纹扩展方向平行，垂直于裂纹前沿的轮廓线并逆指向裂纹源，在裂源处未见纤维区，表明裂纹是快速失稳扩展的过程。经过检测分析，此类螺栓材料裂源位于螺纹与杆部交接的螺纹处，与裂源处类似的相应位置都存在形状相似的裂纹（均似树枝状），每根主裂纹又有若干条分叉裂纹，这种形状的裂纹与应力腐蚀开裂的形式高度吻合，再加上其延滞开裂的特点，因此认定该螺栓属应力腐蚀开裂[9]。该类缺陷主要是在加工过程中产生了内应力，由于没有消除加工形变的内应力而导致在环境介质（如潮湿的空气）条件下发生失效。

图1 断裂螺栓宏观断口形貌

化学反应釜法兰部位普遍采用不锈钢紧固件螺栓进行连接，生产时伴有氧化和一些腐蚀性元素（如S、Cl、O 等）。图2为反应釜中断裂螺栓的形貌[10]，可以看出断口均较平整，无明显的塑性变形，宏观观察显示为脆性断口；微观呈现为应力腐蚀形貌，断口主要为穿晶断裂。

图2 反应釜中断裂螺栓的形貌

金属材料中的应力腐蚀断裂，通常发生在其承受的应力值远低于其抗压强度的条件下，即应力腐蚀断裂具有低应力、突发性，且在材料断裂前期无明显的塑性变形现象，断口通常较为平整。

2 疲劳断裂

疲劳断裂是金属紧固件在应用过程中经常出现的一种故障形式，失效形式包括低周疲劳、高周疲劳、振动疲劳（微振疲劳）和高温疲劳等。但其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳和由正应力引起的正断疲劳，其他形式的疲劳断裂都是这两种基本形式在不同条件下的复合。从紧固件在应用过程中出现的疲劳断裂来看，目前主要是由于周期交变作用力的情况下引起的低应力破坏[11]。据统计，在风电领域目前普遍采用不高于10.9 级的紧固件和达克罗工艺，氢脆发生的概率较低，而疲劳断裂较为普遍[12]。因此，金属零件的疲劳失效仍是研究的重点。

疲劳断裂的宏观断口一般由疲劳源区、疲劳裂纹稳定扩展区和瞬时断裂区3 个部分组成[13]。某吊车回转支承与车架大法兰连接处螺栓，在使用2 个月左右后全部断裂，其相同规格、同批次的螺栓制造材料为20MnTiB，生产工艺过程为：下料→镦头→初车→调质处理→精车→滚牙→表面达克罗（图3）。经检测分析，断裂螺栓的宏观断口上有3 个比较明显的特征区域，分别为裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区。其中，裂纹源区和裂纹扩展区所占断口面积很小，约占整个断口的1/3，而瞬断区所占断口面积大，约占整个断口的2/3。瞬断区面积比例大，说明螺栓断裂前所受的外力较大，符合低周疲劳断裂的特征[14]。

图3 吊车回转支承与车架大法兰连接螺栓断裂

图4 为断裂螺栓的金相组织及裂纹源处形貌，可以看出金相组织为回火低碳板条马氏体，其裂纹起源于螺纹根部，裂纹源处牙根形状不光滑，有基体金属的缺失留下的凹坑，裂纹沿凹坑尖角处开始向内沿伸。

图4 断裂螺栓的金相组织与裂纹源处形貌

这类缺陷主要是应力比较大，其形核时间较短，由于应力集中的原因，疲劳裂纹源容易在缺口根部形成[15]。因此，如果连接螺栓螺纹根部不光滑，存在一些细小凹坑，在凹坑处则会产生应力集中而形成裂源，最终导致低周疲劳断裂。

3 过载断裂

过载断裂通常是指当工作载荷超过金属零件所承受的最大载荷时发生的断裂。过载断裂不同于累积损伤效应造成的缓慢损坏，而是在超出产品极限应力下结构的瞬态破坏[16]。金属零件在工程中的应用，在材料性质确定后，零件的过载断裂只取决于零件截面的正应力和截面的有效尺寸。零件发生过载断裂失效通常显示一次加载断裂特征。对于宏观塑性过载断裂，在其宏观断口上一般可以看到纤维区、放射区和剪切唇3 个特征区，也被称为断口的三要素。大多数的单相金属和低碳钢，其过载断裂的断口形貌具有典型的三要素特征，但是一些高强度的材料和一些复杂的工业合金等，其裂纹源位于纤维区内的环形花样中心，且放射区细小、剪切唇也较小；中碳钢和中碳合金钢的调质状态，断口形貌主要是粗大的放射剪切花样，纤维区和剪切唇基本不存在；而塑性较好的材料其断口形貌恰好相反，过载断裂的断口上可能只有纤维区和剪切唇，不存在放射区。

图5 为摩托车连接负重轮和弹性元件的平衡轴宏观断口形貌，制造该平衡轴的材料是20CrMo 钢，经过热处理后使用5 h后发生断裂。图6 为其在电镜下观察的微观形貌，经检测分析：平衡轴在销孔处断裂，断口无明显的塑性变形，断口处颜色呈浅灰，在外表层的断口具有明显的撕裂与沿晶断裂特征，销孔壁断口有撕裂变形韧窝。未发现材料加工缺陷以及疲劳断裂的痕迹，可以确定该平衡轴断裂为过载断裂。其主要原因是装机过程中负载不合理，在服役过程中受到了过大的交变应力。

图5 平衡轴断裂的宏观形貌

图6 平衡轴断裂的微观形貌

对某20MnTiB 的高强螺栓进行断裂失效分析，图7 是其经超声波清洗后的宏观断口，断口上有两个比较明显的特征区域，即纤维区和放射区。其中：纤维区位于断口的中央，裂纹核心在该区域内形成；放射区中有明显的放射纤维，每根放射纤维与裂纹扩展方向平行，垂直于裂纹前沿的轮廓线，逆指向裂纹源。经检测分析，这种断口形貌符合静拉力条件下的断裂特征，即可认为该螺栓是在外力作用下拉断所致。

图7 20MnTiB 螺栓断口形貌

简单来说，断口的纤维区较大则材料塑性较好，反之放射区增大则表面塑性较低、较脆。此外，零件的几何形状与尺寸也对断口形貌特征具有一定影响，其几何尺寸越大放射区的范围也越大，而纤维区和剪切唇增加的幅度较小。环境对过载断裂的断口也存在一定影响，当温度升高时材料的塑性会增加，造成纤维区和剪切唇变大，放射区相对变小。

4 结束语

紧固件作为一种重要的通用基础件，品种多且性能各异，失效形式也多种多样。断裂失效在机械零件中是最常见、也是危害最大的失效类型。为了预防紧固件的失效，可以从降低材料应力集中及提高零件的疲劳强度入手。应力集中现象是普遍存在的，通常采取局部强化（如表面热处理强化、薄壳淬火等）来减少应力集中。同时对零件进行设计[17]（如在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔）使应力的流线较为平缓，从而降低应力峰值改善应力集中现象。提高零件的疲劳强度是预防发生疲劳断裂的根本措施，喷丸强化[18]是提高紧固件疲劳寿命的有效方法之一，通过延缓疲劳裂纹萌生，提高零件的疲劳强度。因此，正确地选择材料和设定热处理工艺，可以降低失效发生率，有助于产品质量的不断提高。