某螺栓斷裂原因分析

矯增田

摘 要：某螺栓在裝配時發生斷裂，從力學和材料角度對該螺栓斷裂原因進行了分析。對斷裂螺栓進行金相組織觀察、化學成分分析、力學性能試驗以及斷口的宏觀和微觀形貌觀察，經檢測理化指標正常，未發現斷口組織明顯異常，晶界上有其它相析出，Si、Cr等元素促進雜質元素在晶界上偏聚從而降低了晶界的斷裂強度和連續性，使得外力作用下發生了宏觀無明顯塑性變形的“脆性斷裂”。

關鍵詞：螺栓;斷裂;回火脆性

中圖分類號：TG115 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0107-02

1 問題現象

螺栓連接是鋼結構連接中比較常見的連接方式，裝卸、檢修方便，相對于焊接，其連接處不會發生相變，但是作為重要的緊固件，其失效故障發生較多，由此造成的危害也很大[1]。現有某螺栓M16×150 8.8級，材質為35CrMo，表面達克羅處理，在裝配緊固時發生斷裂，裝配要求扭矩160N·m，在擰緊力矩120～130N·m時發生斷裂。現分析裂紋原因。

2 宏觀和超景深顯微系統檢驗

螺栓斷裂發生在距離頭部約8mm位置，宏觀觀察，外觀未見明顯缺陷和外力損傷現象;斷口面上也未見明顯缺陷。

斷口表面較粗糙，未見明顯宏觀塑性變形，且是在裝配過程中造成的斷裂，初步判斷為過載脆性斷裂，有扭轉斷裂跡象。正常情況下，斷裂不應該發生在該位置。解剖斷裂螺栓，分別做化學成分分析、硬度測試和金相分析;取該型號一新螺栓做性能測試。

3 化學成分分析

從斷裂螺栓切取試塊，進行化學成分分析，化學成分符合GB/T 3098.1-2010[2]要求，具體測試結果如表1所示：

4 力學性能測試

硬度測試和最小拉力載荷測試符合GB/T 3098.1-2010要求，具體測試結果如表2所示：

5 金相分析

過斷口將螺栓沿縱向軸向剖開，做金相檢驗，依據GB/T 10561-2005[3]，夾雜物為D1級，顯微組織為回火索氏體，組織均勻，表面無脫碳現象[4]，依據GB/T 6394-2017[5]，晶粒度為6級。

6 電子顯微鏡斷口觀察和能譜分析

將斷口置于電鏡下微觀觀察，可見晶界沉淀的分散顆粒為裂紋核所形成的細小韌窩，斷裂大部分區域屬于沿晶韌性斷裂，起裂位置處未見明顯缺陷[6]。晶界上韌窩底部有夾雜物;部分晶界上有其它相析出。

用能譜儀對部分區域進行能譜分析，顯示晶界上析出物含有較多錳、鉻、硅、鋁、氧等元素。其中Si最高1.4%，Cr最高5.9%。晶界上有其他相析出，Si、Cr等元素促進雜質元素在晶界上偏聚從而降低了晶界的斷裂強度和連續性，使得外力作用下發生了宏觀無明顯塑性變形的“脆性斷裂”——實際微觀上是塑性斷裂[7]。

7 分析討論

斷裂樣品化學成分分析符合要求，力學性能測試符合要求，沖擊吸收功較好;常規金相組織分析組織較好;表面無損傷和明顯缺陷。與斷裂螺栓同批次樣品最小拉力載荷測試也符合要求。裝配擰緊力矩在規定范圍之內就發生斷裂，且斷裂位置與正常情況下螺栓斷裂位置明顯不同。電子顯微鏡斷口分析，斷裂起源處也未見明顯缺陷和異常，斷口大部分區域屬于沿晶韌性斷口，最后斷裂部分為扭轉韌性斷口。能譜分析顯示，晶界上有其他相析集，弱化了晶界斷裂強度和連續性，從而引起宏觀“脆性斷裂”。原因可能是由局部區域的成分偏析，回火保溫后，冷卻速度較低，雜質元素在晶界偏聚造成的造成的第二類回火脆性引起。

參考文獻

[1] 萬明攀，馬瑞.GH4169螺栓斷裂失效分析及工藝改進[J].材料熱處理技術，2012，41（6）：195-196.

[2] GB/T 3098.1-2010.緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱[S].

[3] GB/T 10561-2005.鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法評定[S].

[4] 任頌贊，葉儉，陳德華.金相分析原理及技術[M].上海：上海科學技術文獻出版社，2012.

[5] GB/T 6394-2017.金屬平均晶粒度測定方法評定[S].

[6] 張棟，鐘培道，陶春虎，雷祖圣.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2013.

[7] 于永泗，齊民.機械工程材料[M].大連：大連理工大學出版社，2017.