常見的緊固件斷裂失效案例分析

李岳烽，黃 珂，譚 鋒，譚彥顯

（1.湖南省產商品質量檢驗研究院，湖南長沙 410007；2.湖南申億精密零部件股份有限公司，湖南長沙 410116）

0 引言

緊固件是將兩個或兩個以上的零件（或構件）緊固連接成為一個整體時所采用的一類機械零件的總稱。其體積小、成本低，且標準化、系列化、通用化的程度極高，對工業成品的重要性不言而喻。

金屬緊固件無處不在，是應用最廣泛的機械零部件[1]，可將其分為螺栓、螺釘、螺柱、螺母、木螺釘、自攻螺釘、墊圈、鉚釘、銷、擋圈、鏈接副和緊固件、組合件等13 大類[2]。這些機械零部件都具備一定的功能，承擔各種各樣的工作任務，如承受載荷、傳遞能量、完成某種規定的動作等。當這些零件失去其原有的功能時，則稱該零件失效[3]。在整個生命周期中緊固件都存在失效的風險，工程上通常按照產品失效后的外部形態將失效現象分為過量變形、斷裂及表面損傷。其中，由環境介質和疲勞引起的斷裂是目前高強度緊固件最常見也是損失最大的失效形式[4]，具體分類見表1。

表1 斷裂失效形式分類及原因

針對以上3 類緊固件斷裂失效形式的案例分別進行討論與分析，為預防緊固件失效提供理論基礎和參考。

1 環境介質引起的斷裂

環境介質引起的失效是指由環境介質、應力共同作用引起的低應力開裂及破斷失效情況，主要包括應力腐蝕、氫脆、液態金屬脆化和腐蝕疲勞[5]。大多數的金屬緊固件產品均處于一定的應力（內應力或外加應力）和環境介質的聯合作用下，所以應力作用下的腐蝕最為常見，是影響結構安全可靠性的重要隱患之一[6]。通常引起應力腐蝕的介質并無強烈的腐蝕性，在沒有施加應力的條件下，這種腐蝕介質并不會對零件產生嚴重的破壞；當零件承受的應力遠小于強度極限時，如果沒有腐蝕介質也不會發生破壞。但應力條件和腐蝕條件同時存在后，應力腐蝕就可能使零件產生嚴重的破壞。應力腐蝕一般是在其承受的應力值遠低于材料使用應力的情況下突然發生，通常沿某些冶金或結構缺陷（包括尖角、內應力集中處）優先腐蝕造成裂紋核心，并且隨著時間的延長做緩慢亞臨界擴展，經過相當時間后裂紋達到臨界尺寸，便突然脆斷[7]。應力腐蝕的特點有：裂紋在宏觀上較平直，但多可見分叉、花紋及龜裂，微觀裂紋一般既有主干又有分支，裂紋的尖端較銳利；斷口在宏觀上比較粗糙，多呈結晶狀、放射狀，微觀上常有撕裂棱，晶間呈冰糖塊狀花樣，無輝紋出現[8]。

圖1 為湖南省產商品質量檢驗研究院檢測在裝配過程中斷裂的風力發電機高強螺栓斷裂后的斷口截面宏觀形貌，對其斷口進行超聲波清洗后可見螺栓斷口有大面積、較明顯的放射花樣，靜載荷下宏觀斷口放射花樣放射源放射方向應與裂紋擴展方向平行，垂直于裂紋前沿的輪廓線并逆指向裂紋源，在裂源處未見纖維區，表明裂紋是快速失穩擴展的過程。經過檢測分析，此類螺栓材料裂源位于螺紋與桿部交接的螺紋處，與裂源處類似的相應位置都存在形狀相似的裂紋（均似樹枝狀），每根主裂紋又有若干條分叉裂紋，這種形狀的裂紋與應力腐蝕開裂的形式高度吻合，再加上其延滯開裂的特點，因此認定該螺栓屬應力腐蝕開裂[9]。該類缺陷主要是在加工過程中產生了內應力，由于沒有消除加工形變的內應力而導致在環境介質（如潮濕的空氣）條件下發生失效。

圖1 斷裂螺栓宏觀斷口形貌

化學反應釜法蘭部位普遍采用不銹鋼緊固件螺栓進行連接，生產時伴有氧化和一些腐蝕性元素（如S、Cl、O 等）。圖2為反應釜中斷裂螺栓的形貌[10]，可以看出斷口均較平整，無明顯的塑性變形，宏觀觀察顯示為脆性斷口；微觀呈現為應力腐蝕形貌，斷口主要為穿晶斷裂。

圖2 反應釜中斷裂螺栓的形貌

金屬材料中的應力腐蝕斷裂，通常發生在其承受的應力值遠低于其抗壓強度的條件下，即應力腐蝕斷裂具有低應力、突發性，且在材料斷裂前期無明顯的塑性變形現象，斷口通常較為平整。

2 疲勞斷裂

疲勞斷裂是金屬緊固件在應用過程中經常出現的一種故障形式，失效形式包括低周疲勞、高周疲勞、振動疲勞（微振疲勞）和高溫疲勞等。但其基本形式只有兩種，即由切應力引起的切斷疲勞和由正應力引起的正斷疲勞，其他形式的疲勞斷裂都是這兩種基本形式在不同條件下的復合。從緊固件在應用過程中出現的疲勞斷裂來看，目前主要是由于周期交變作用力的情況下引起的低應力破壞[11]。據統計，在風電領域目前普遍采用不高于10.9 級的緊固件和達克羅工藝，氫脆發生的概率較低，而疲勞斷裂較為普遍[12]。因此，金屬零件的疲勞失效仍是研究的重點。

疲勞斷裂的宏觀斷口一般由疲勞源區、疲勞裂紋穩定擴展區和瞬時斷裂區3 個部分組成[13]。某吊車回轉支承與車架大法蘭連接處螺栓，在使用2 個月左右后全部斷裂，其相同規格、同批次的螺栓制造材料為20MnTiB，生產工藝過程為：下料→鐓頭→初車→調質處理→精車→滾牙→表面達克羅（圖3）。經檢測分析，斷裂螺栓的宏觀斷口上有3 個比較明顯的特征區域，分別為裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區。其中，裂紋源區和裂紋擴展區所占斷口面積很小，約占整個斷口的1/3，而瞬斷區所占斷口面積大，約占整個斷口的2/3。瞬斷區面積比例大，說明螺栓斷裂前所受的外力較大，符合低周疲勞斷裂的特征[14]。

圖3 吊車回轉支承與車架大法蘭連接螺栓斷裂

圖4 為斷裂螺栓的金相組織及裂紋源處形貌，可以看出金相組織為回火低碳板條馬氏體，其裂紋起源于螺紋根部，裂紋源處牙根形狀不光滑，有基體金屬的缺失留下的凹坑，裂紋沿凹坑尖角處開始向內沿伸。

圖4 斷裂螺栓的金相組織與裂紋源處形貌

這類缺陷主要是應力比較大，其形核時間較短，由于應力集中的原因，疲勞裂紋源容易在缺口根部形成[15]。因此，如果連接螺栓螺紋根部不光滑，存在一些細小凹坑，在凹坑處則會產生應力集中而形成裂源，最終導致低周疲勞斷裂。

3 過載斷裂

過載斷裂通常是指當工作載荷超過金屬零件所承受的最大載荷時發生的斷裂。過載斷裂不同于累積損傷效應造成的緩慢損壞，而是在超出產品極限應力下結構的瞬態破壞[16]。金屬零件在工程中的應用，在材料性質確定后，零件的過載斷裂只取決于零件截面的正應力和截面的有效尺寸。零件發生過載斷裂失效通常顯示一次加載斷裂特征。對于宏觀塑性過載斷裂，在其宏觀斷口上一般可以看到纖維區、放射區和剪切唇3 個特征區，也被稱為斷口的三要素。大多數的單相金屬和低碳鋼，其過載斷裂的斷口形貌具有典型的三要素特征，但是一些高強度的材料和一些復雜的工業合金等，其裂紋源位于纖維區內的環形花樣中心，且放射區細小、剪切唇也較小；中碳鋼和中碳合金鋼的調質狀態，斷口形貌主要是粗大的放射剪切花樣，纖維區和剪切唇基本不存在；而塑性較好的材料其斷口形貌恰好相反，過載斷裂的斷口上可能只有纖維區和剪切唇，不存在放射區。

圖5 為摩托車連接負重輪和彈性元件的平衡軸宏觀斷口形貌，制造該平衡軸的材料是20CrMo 鋼，經過熱處理后使用5 h后發生斷裂。圖6 為其在電鏡下觀察的微觀形貌，經檢測分析：平衡軸在銷孔處斷裂，斷口無明顯的塑性變形，斷口處顏色呈淺灰，在外表層的斷口具有明顯的撕裂與沿晶斷裂特征，銷孔壁斷口有撕裂變形韌窩。未發現材料加工缺陷以及疲勞斷裂的痕跡，可以確定該平衡軸斷裂為過載斷裂。其主要原因是裝機過程中負載不合理，在服役過程中受到了過大的交變應力。

圖5 平衡軸斷裂的宏觀形貌

圖6 平衡軸斷裂的微觀形貌

對某20MnTiB 的高強螺栓進行斷裂失效分析，圖7 是其經超聲波清洗后的宏觀斷口，斷口上有兩個比較明顯的特征區域，即纖維區和放射區。其中：纖維區位于斷口的中央，裂紋核心在該區域內形成；放射區中有明顯的放射纖維，每根放射纖維與裂紋擴展方向平行，垂直于裂紋前沿的輪廓線，逆指向裂紋源。經檢測分析，這種斷口形貌符合靜拉力條件下的斷裂特征，即可認為該螺栓是在外力作用下拉斷所致。

圖7 20MnTiB 螺栓斷口形貌

簡單來說，斷口的纖維區較大則材料塑性較好，反之放射區增大則表面塑性較低、較脆。此外，零件的幾何形狀與尺寸也對斷口形貌特征具有一定影響，其幾何尺寸越大放射區的范圍也越大，而纖維區和剪切唇增加的幅度較小。環境對過載斷裂的斷口也存在一定影響，當溫度升高時材料的塑性會增加，造成纖維區和剪切唇變大，放射區相對變小。

4 結束語

緊固件作為一種重要的通用基礎件，品種多且性能各異，失效形式也多種多樣。斷裂失效在機械零件中是最常見、也是危害最大的失效類型。為了預防緊固件的失效，可以從降低材料應力集中及提高零件的疲勞強度入手。應力集中現象是普遍存在的，通常采取局部強化（如表面熱處理強化、薄殼淬火等）來減少應力集中。同時對零件進行設計[17]（如在應力集中區附近的低應力部位增開缺口和圓孔）使應力的流線較為平緩，從而降低應力峰值改善應力集中現象。提高零件的疲勞強度是預防發生疲勞斷裂的根本措施，噴丸強化[18]是提高緊固件疲勞壽命的有效方法之一，通過延緩疲勞裂紋萌生，提高零件的疲勞強度。因此，正確地選擇材料和設定熱處理工藝，可以降低失效發生率，有助于產品質量的不斷提高。