【案例】高強度螺栓斷裂失效分析

高強度螺栓連線是繼鉚接、焊接之後發展起來的一種鋼結構連線形式，具有施工簡單、可拆卸、承載大、耐疲勞、安全等優點。因此，高強度螺栓連線已發

展成為鋼結構工程安裝的主要手段［１］。某重型汽車推力杆螺栓在裝配過程中發生斷裂失效，螺栓材料為４２CrMo合金結構鋼，裝配力矩要求為（５３５±５０）Nm，加工工藝過程為熱墩成型→磨滾花直徑→滾花→熱處理→酸洗→磨光桿→滾螺紋→探傷→鍍鋅→包裝［２］。為了找出該高強度螺栓斷裂失效的原因，筆者採用斷口宏微觀分析、金相檢驗、化學成分分析、力學效能試驗等方法，對該斷裂失效螺栓進行了檢驗和分析，以避免類似斷裂失效的再次發生。

１　理化檢驗

１．１　斷口宏觀觀察

斷裂螺栓的整體形貌如圖１所示，斷口宏觀形貌如圖２所示，螺母宏觀形貌如圖３所示。可見斷裂發生在螺栓頭杆結合部，螺栓其餘部位未見磕碰、彎曲等異常；斷口不平齊，斷面上無先期斷口，無宏觀塑性變形；螺栓頭部墊圈部位不均勻附著黑色汙物，此汙物應為裝配時與推力杆擠壓、摩擦而黏附的推力杆表面漆膜。

１．２　化學成分分析

為確定高強度螺栓化學成分是否合格，從斷裂高強度螺栓及同批次新件上取樣，經三稜落地砂輪機打磨，採用ARL３４６０型金屬分析儀對試樣進行化學成分分析，結果見表１。可見該高強度螺栓各元素含量均符合GB/T３０７７－１９９９合金結構鋼對４２CrMo鋼成分的技術要求。

１．３　硬度試驗

對該斷裂螺栓及同批次６件完好的高強度螺栓的六角面進行硬度試驗，６件完好的高強度螺栓所用材料、熱處理工藝均與斷裂螺栓一致，只是長度不一致。根據螺栓長度的不一致，分別命名為長１，長２，中１，中２，短１，短２。經三稜落地砂輪機和不同粒度砂紙打磨，採用TH３２０洛氏硬度計進行硬度試驗，結果見表２。可見該斷裂螺栓與６件完好螺栓的硬度均符合GB/T３０９８．１－２０１０技術要求，但接近上限。

１．４　金相檢驗

分別從該高強度螺栓斷裂件、同批次新螺栓件上取樣，試樣經拋光、侵蝕後在OlympusGX５１F型光學顯微鏡下進行觀察，圖４是斷裂高強度螺栓的基體顯微組織形貌，圖５是同批次新螺栓件的基體顯微組織形貌。可見所有螺栓的基體顯微組織均為中等粗細的、均勻的回火索氏體及塊狀鐵素體。

１．５　最小拉力載荷試驗

採用型號為CMT５３０５的微機控制電子萬能試驗機分別對長１，長２，短１，短２螺栓進行最小拉力載荷試驗及緊韌體保證應力試驗，結果如下。

（１）長１螺栓：載入至最小拉力載荷３３．２kN並且保持１５s，繼續載入至最大拉力載荷３６．６kN時於螺紋段未旋合處斷裂；

（２）長２螺栓：載入至最小拉力載荷３３．２kN並且保持１５s，繼續載入至最大拉力載荷３６．５kN時於螺紋段未旋合處斷裂；

（３）短１螺栓：載入至最小拉力載荷３３．２kN並且保持１５s，繼續載入至最大拉力載荷３５．５kN時於螺紋段未旋合處斷裂；

（４）短２螺栓：載入至最小拉力載荷３３．２kN並且保持１５s，繼續載入至最大拉力載荷３６．３kN時於螺紋段未旋合處斷裂。

上述試驗結果均符合GB/T３０９８．１－２０１０緊韌體機械效能螺栓、螺釘和螺柱中的相關技術要求。

１．６　衝擊試驗

隨機抽取兩個同批次未經使用的高強度螺栓，分別命名為１號螺栓和２號螺栓，並加工成標準拉力試樣棒，採用ZBCＧ２３０２Ｇ２型擺錘衝擊試驗機進行衝擊試驗，結果見表３。可見其衝擊吸收能量符合GB/T３０９８．１－２０１０緊韌體機械效能螺栓、螺釘和螺柱中的相關技術要求。

１．７　斷口微觀形貌分析

將斷裂的高強度螺栓斷口用超聲波清洗後置於SEM６６１０掃描電鏡內進行觀察，斷口微觀形貌如圖６所示。可見其啟裂部位有很多撕裂稜，以解理形貌為主，另存在沿晶斷裂特徵及韌窩形貌，未發現氫脆斷裂的典型特徵形貌［２］。未經使用的高強度螺栓的衝擊試樣斷口微觀形貌如圖７所示，可見，其微觀形貌也是以解理和韌窩為主。

１．８　裝配扭矩測試

在裝配現場用經計量校驗合格的扭矩扳手隨機對７件安裝完畢的螺栓進行擰緊扭矩檢測，擰緊扭矩的工藝要求為（５３５±５０）Nm，具體檢測結果如圖８所示。可見擰緊力矩波動範圍較大，其中４件螺栓的擰緊力矩不符合工藝要求，存在過度擰緊現象，這會增加螺栓發生一次性斷裂的風險。

１．９　螺栓圓角半徑R 值檢測

從斷裂螺栓同批次未經使用的螺栓中隨機抽取６件新螺栓，分別編號為１~６號。用R 規測量其頭杆結合處的R 值，檢測結果見表４。可見，螺栓的六角頭部與杆部結合處的R 值波動範圍大，部分螺栓的R 值不能滿足GB/T３０９８．１－２０１０要求，增加了螺栓發生一次性斷裂的風險。

１．１０　高強度螺栓生產現場考察

為進一步查詢該高強度螺栓斷裂的原因，對高強度螺栓生產現場進行考察，在螺栓生產過程中發現高強度螺栓熱墩模具工作面有R 角成型面磨損、熱疲勞裂紋等缺陷，模具支撐面磨損、鏽蝕嚴重，有用膠帶調整的現象，如圖９和圖１０所示，且生產現場未對螺栓頭杆結合部R 值進行控制。這些缺陷使得模具無法保證螺栓同軸度、垂直度等尺寸穩定性，會對產品質量造成影響，增加螺栓發生斷裂的風險。

２　分析與討論

透過以上理化檢驗結果可知，該螺栓的化學成分、顯微組織、力學效能和硬度均符合GB/T３０９８．１－２０１０技術要求，但是硬度偏高，接近上限。斷口的宏、微觀分析結果表明，斷裂是從應力集中程度較高的螺紋槽圓弧倒角處啟裂，啟裂部位有很多撕裂稜，以解理形貌為主，且存在沿晶斷裂特徵，該螺栓在受力時發生沿晶斷裂。斷口的宏、微觀分析結果還表明，當斷裂從裂紋源處啟裂之後，裂紋以快速、失穩方式進行擴充套件直至斷裂。材料內部存在晶粒偏粗，晶界偏

析的缺陷，導致了材料實際許用應力降低，這也是裂紋快速失穩擴充套件的先決條件。微裂紋的形成與冶煉時除氣、造渣不徹底有關［３］。理化檢驗結果還表明，螺栓的裝配扭緊力矩波動範圍大，存在過擰現象；螺栓頭杆結合處圓角半徑R 值波動大，部分不符合標準要求，螺栓生產過程中存在不能有效控制尺寸精度的問題。以上所有因素最終導致螺栓發生斷裂［４Ｇ６］。

３　結論及建議

該螺栓基體硬度偏高，頭杆結合處螺栓倒角處圓角半徑偏小，在大扭矩的裝配下，扭轉和彎曲綜合應力使得螺栓從應力集中程度較高的螺紋槽圓弧倒角處啟裂，隨後裂紋以快速、失穩的方式進行擴充套件，直至螺栓最終斷裂。

建議將螺栓基體硬度控制在技術規範要求的靠近下限的範圍內，使螺栓保證強度的同時，韌性也得到一定的改善；在不影響裝配的情況下，適當增加圓角半徑R 值，同時要求螺栓生產廠家嚴格按照相關技術要求加工R 角，保證該尺寸的符合性及穩定性；在螺栓裝配時，嚴格按照工藝檔案的要求進行操作，以防止裝配扭矩過大的情況發生。

參考文獻:

［1］姜愛華，陳亮，師紅旗，等．螺栓疲勞斷裂失效分析［J］．熱加工工藝，２０１３，４２（２）：２２２Ｇ２２３．

［2］胡春燕，劉新靈，陳星．高強度鋼螺栓斷裂失效分析［J］．金屬熱處理，２０１２，３７（９）：１２５Ｇ１２７．

［3］韓克甲，趙曉輝，李洪偉．３５CrMo鋼高強螺栓斷裂失效分析［J］．理化檢驗（物理分冊），２０１７，５３（６）：４３４Ｇ

［4］關文秀，姜濤．連桿螺栓斷裂失效分析［J］．失效分析與預防，２０１３，８（５）：２８２Ｇ２８６．

［5］餘兆新，蔣佩華，姚志江，等．４２CrMo鋼螺栓斷裂分析［J］．金屬熱處理，２０１２，３７（４）：１２８Ｇ１３０．

［6］王偉旬，關桂芬．撈渣機鏈條斷裂原因分析［J］．理化檢驗（物理分冊），２０１６，５２（１）：７１Ｇ７３．

［7］

作者：齊延生，胡曉峰，王靜，慕松 （陝西重型汽車有限公司，西安７１０２００）

［8］

文章資料來源：常州精密鋼管部落格網

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