螺纹紧固件失效分析案例(第1部分)

1、螺纹紧固件失效分析案例全国紧固件标准化技术委员会机械工业通用零部件产品质量监督检测中心二00八年6月机械产品失效是一门关于研究机械产品质量的综合性技术学科， 主要研究失 效的规律与机理。机械零件的失效是在特定的工作条件下， 当其所具备的失效抗 力指标不能满足工作条件的要求时发生的。 导致零件失效的本质原因可能是材料 本身的失效抗力不足，也可能是零件存在与设计或制造等过程有关的缺陷。 产品 的早期失效往往是产品质量低劣或质量管理不善及科学技术水平不高的直接反 映。失效发生后能否尽快作出正确的判断，确定失效原因，制定防止失效的措施， 则是衡量有关科技人员技术水平的重要标志。加入WTC后，我国的产品

2、将参与国际市场的竞争，于是提高产品质量成为提高竞争力的关键因素。 失效分析则是定 量评定产品质量的重要基础，也是保证产品可靠性的重要手段。机械科学研究总院、机械工业通用零部件产品质量监督检测中心在进行大量 失效分析的基础上（包括对断裂、腐蚀和磨损的深入研究，特别是断口、裂纹和 痕迹分析），分析了可能出现失效的形式和类型，以供大家在生产中借鉴，在生 产工艺中加以避免出现失效的可能； 同时，在今后的质量纠纷中维护自己的正当 权益。机械工业通用零部件产品质量监督检测中心熊学端研究员从事了几十年失 效分析研究工作，有很深的理论造诣，积累了丰富的失效分析经验，本文中列举 了部分螺纹紧固件失效分析案例，希

3、望能够为生产企业及用户提供良好的参考和 借鉴；同时，中心愿为生产企业和用户在今后的失效分析中提供技术咨询和指导。全国紧固件标准化技术委员会第一部分 失效分析概述11. 失效定义12. 失效分析的意义、目的13. 失效的来源14. 失效分析的思路、方法15. 断口分析26. 断口分析部分名词术语3第二部分失效分析案例71. 汽车上臂螺栓断裂原因分析72. 溜冰鞋螺钉、螺母断裂原因分析123. 紧定螺钉断裂原因分析报告204. 连杆螺栓断裂原因分析255. 汽车轮毂螺栓断裂原因分析296. M8X55高强度螺栓断裂原因分析337. 高压开关螺栓断裂原因分析报告378. 沟槽刚性接头紧固螺栓断裂原因

4、分析报告429. 定位螺钉断裂原因分析4710. M36X280 高强度螺栓断裂原因分析5311. 高压线塔联结螺栓断裂原因分析5912. 中压电器用螺栓断裂原因分析报告6413. 网架螺栓断裂原因分析6614. 螺钉断裂原因分析6915. 吊环螺钉断裂失效分析73螺栓失效原因分析79第一部分 失效分析概述在具体讲述螺纹紧固件失效分析案例以前，先对失效分析的定义、意义、目的；失效的来源；失效分析的思路与方法；断口分析和名词术语等做一简单叙述。1. 失效定义 一个零件或部件不能履行设计赋予它规定的功能， 称该零件或部件失效。它 包括以下三个内容：a.完全不能工作；b.可以工作，但不能令人满意地完

5、成预期 的功能；c.受到严重损伤不能可靠而安全的连续使用，必须拆下来进行修理或更 换。应注意把失效与废品区别开来，前者是在使用过程中出现的，后者是在生产 制造过程中产生的。另外，失效又分为正常失效和非正常失效， 达到设计寿命的为正常失效，反 之为非正常失效，后者才是通常失效分析工作的主要对象。2. 失效分析的意义、目的 机械产品设计者的主要任务，是为社会提供质量好、寿命长、成本低的产品。一种新产品的诞生，开始并不是完美的， 多少会存在各种大小不同的问题，这在 设计、制造中可能难以发现，往往只有在使用中才能充分暴露。为此，设计、制 造者必须针对产品使用中出现的失效进行仔细分析， 找出问题的症结，

6、重新改进 设计、制造。再投入使用，发现问题，再改进，这个循环过程也许要反复进行多 次。因此，失效分析是机械差品的质量由不完善走向完善的必经之路， 是机械产 品可靠性设计重要的一环。最近一些年来，委托我们进行失效分析的任务越来越 多，这是好事，这并不反应产品质量越来越差，而恰恰反应了生产者、客户对产 品高质量的追求。3. 失效的来源造成失效的来源主要有以下方面：设计选材材料缺陷制造工艺（冷加工、热加工、表面处理等等）贮存、运输（碰撞、锈蚀）装配（如螺栓拧紧力矩）服役条件（环境温度、受力状态、腐蚀环境、相关件的影响等） 因此，失效来源不能单归咎于生产制造者，还包括流通环节和使用者的一些 问题。4.

7、 失效分析的思路、方法 失效分析也有繁、简之分。一些零部件的失效在现场很快能确定失效原因，这是简单的。但是对一些大型零部件（如飞机、电站转子） ，一些复杂且影响 因素很多的零部件的失效分析，则必须组织多专业的科技人员，动用一些专用的 检测仪器设备。进行失效分析时，要做的工作包括(根据分析工作的难易来取舍) ：(1) 收集背景资料：失效件的设计图纸、要求；失效件的制造历史；失 效件的服役情况、环境、受力情况。(2) 失效件的现场状态：运行记录、询问现场人员、拍照。(3) 化学成分分析：鉴别材料的选择是否正确。(4) 无损探伤：磁粉、超声波、着色、涡流、X射线、丫射线、工业CT。(5) 断口分析：

8、保存好失效件的断口，不要受到损伤，不要将两个断口 去吻对，断口上的附着物不要忙于清除。断口的清洗要小心谨慎。( 6) 金相检验：包括低倍与高倍。( 7) 断口电镜分析：扫描电镜，透射电镜，俄歇谱仪，能谱分析等。(8) 相结构分析：X射线衍射。(9) 受力分析：光弹，应变片，涂漆，X 射线应力测定。(10) 力学性能测试：硬度，c b,(T s, S, Ak,Kic, da/dN。(11) 断裂模拟试验：对一些吃不准的破坏形式，根据受力条件、环境进 行模拟重现。( 12) 分析、结论。5. 断口分析断裂是机器零件失效最严重的表现形式之一。 对断裂的研究已发展成一门独 立的边缘学科，涉及到断裂力学

9、，断裂物理，断裂化学和断口学等多个分支。其 中断口存储记录了大量失效特征及失效原因的信息， 因此，断口分析是失效分析 最基本，也是最重要的方法之一。尽管如此，在断口上记录的信息毕竟有限，加 之对断口的基本研究仍在深入，以及在复杂工况条件下断口形貌的变异， 增加了 断口分析的难度和结论的可靠性。因此绝不能把断口分析和失效分析等同起来， 把断口分析所得出的结论充当零件失效原因的结论。( 1 ) 断口保存 断口不要磕碰，不要把两个匹配断口用力去吻对，以免断口形貌失真。断口 上的一些残留物、污迹往往是失效的证据，不要轻易去除。比如断口上的油污、 锈迹等往往是裂纹产生在热处理前或后的判据。 待分析的断口

10、要用干净的纸、布 包好，防潮，以免锈蚀。( 2) 存在多个断口时，对每个断口的位置要标明，编号，照相留存。( 3) 断口清洗 当对断口要进行清洗时，可用酒精、丙酮等清洗；不干胶带反复粘贴；电镜 薄膜粘贴；超声波清洗。当断口污染、锈迹严重时，可用化学方法清洗；呈弱酸性的溶液，碱液清洗(如醋酸，磷酸，稀氢氧化钠溶液，10沧20%勺草酸等)。清洗完后，用酒精淋洗，吹干后便于观察或置于干燥箱中保存。( 4) 二次断口的打开有时断口受到严重损坏，断裂细节观察不到，此时可将次生裂纹处打开进行 观察，往往可以更加真实地反映断裂的细节。此时，应将断裂处反响折断，以防 断口受到挤擦损伤，有时可将试样深冷处理（如

11、液氮），使材料脆化，便于折断。（5） 配对断口的提供。有时单个断口不能反映断裂的力学特征， 对配对断口进行观察比比对便可得 出结论，如张开型断裂，扭转剪切型断裂，从韧窝的相对变形方向便可判断受力 性质（图1）。图1在三种应力状态下形成的显微空洞及微坑形状的示意图（a）正应力（b）剪切应力（c）撕裂应力为了对断裂性质作初步定性分析，在肉眼观察零件的实际断口时，主要从以 下几个方面入手：（1）观察断口是否存在放射花样或人字纹，人字纹的顶点就是裂纹源的 位置。根据放射区和纤维区面积的相对大小，可以大致定性估计断裂性质。放射 区大，所受外力就大，脆性也就越大。（2）断口上是否存在弧形线，如有海滩状弧线

12、，说明是疲劳破断。（3）断口的粗糙程度，断口越糙，表明韧性纤维断裂所占比重越大。反 之，断口细平，多光泽，贝懈理脆性断裂所占比重大。（4）断口颜色，断口灰暗，塑性大。（5）断口与最大正应力方向的交角。脆断时，断口与最大正应力方向垂 直，而纯剪断时断口与最大切应力方向平行。6. 断口分析部分名词术语（1）沿晶断裂实际金属材料为多晶粒结构，晶粒之间的边界称之为晶界，沿晶界扩展的裂 纹，叫沿晶断裂。图2就是它的断口形貌，宛如冰糖状，所以又叫冰糖状断口。图2沿晶断裂断口形貌2000X（2）穿晶断裂与沿晶断裂相反，裂纹在晶粒内部扩展。（3）解理断裂一种在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常沿一定的严格的晶面

13、一一解理面 分离，如体心立方金属中，（001）面就是解理面。解理断裂的形貌特征为河流花 样，河流的上游（支流）就是裂纹发源处。肉眼观察断口时，旋转断口，可以看 到许多闪闪发光的亮点（常称小刻面）就是解理面。解理断裂形貌如图3所示图3解理断裂的河流花样（4）准解理断裂在断口微观形貌上，可看到解理断裂的特征，同时又伴随着一定的塑性变形 痕迹，称之为准解理（如图4）。图4准解理形貌2400 X(5) 韧窝它的断裂特征是发生了明显的塑性变形。 断裂过程由显微空洞的形成、 长大 连接组成。这些显微空洞称之为韧窝(图 5)。这种断裂方式属于韧性断裂。图5韧窝断裂5500 X(6) 剪切唇断裂过程的最后阶段

14、，表面光滑，与拉应力方向呈 45度，通常称之为拉边, 此时裂纹是在平面应力状态下发生失稳扩展，材料塑性变形很大。(7) 放射花样裂纹快速扩展在断口上留下的撕裂痕迹，它的放射方向就是裂纹扩展的方向 (图 6)。图6放射花样（8）疲劳断裂在全部结构零件的破坏中，疲劳断裂占绝大多数，因此引起人们的特别关注。疲劳是在周期交变应力作用下产生的一种突发破坏形式，在静载荷条件下不 存在疲劳。疲劳的抗力指标是疲劳极限C r。通常低于材料的屈服极限。疲劳断裂，在宏观上没有显著的塑性变形，从这个意义上说，疲劳破断属于 脆性断裂。疲劳断口大体上可分成三个区：裂纹源区；裂纹扩展区；裂纹快速扩展区（瞬 断区）和剪切唇（

15、图7）。图7疲劳断口形貌疲劳源区：一个光滑、细腻的细小区域，由于受交变应力的作用，裂纹两侧 因反复挤压而变得平坦、光滑。裂纹扩展区：该区的最大特点是有疲劳弧线（又称贝壳花样或海滩花样），这是裂纹扩展中的停顿或应力大小变化时， 裂纹前沿线所留下的痕迹。该区的微 观形貌是存在疲劳辉纹（图8），这是一些相互平行的条带，每一个条带对应一 次应力循环图8疲劳辉纹1000 X瞬断区：疲劳裂纹扩展至一定深度后，零件的剩余截面积不足以抵抗外力的 作用而产生瞬时破断。该区的特征是放射条带和剪切唇。第二部分失效分析案例1.汽车上臂螺栓断裂原因分析某汽车公司的汽车上臂螺栓在服役中发生早期断裂，行驶里程约1500公里

16、供货方要求对螺栓断裂原因进行分析。螺栓材料为35CrMo规格为 M121.25 X 65-10.9，表面镀黄锌。送检样品2件，均为断裂螺栓尾部的一段，其中一件长度约30m（以下称为1号）；另一件尾部被车切去一段，剩余长度约 20m（以下称为2号）。一、检验结果1.外观断裂螺栓未见塑性变形，但牙顶明显可见压塌、磕伤痕迹。螺栓中部一段（距 断口约7扣处）明显发黑，很明显该段为拧入螺母中的区域。2.断口对断口进行体视显微镜和扫描电镜观察， 两个螺栓的断口形貌基本相同（图 1），明显可见疲劳海滩状弧线。7#1号2号图1 螺栓断口形貌以1号断口为例，断口明显分为3个区。I区为疲劳源区，位于牙底表面， 在

17、该区存在多个剪切台阶，系牙底应力集中而引发的多个疲劳源区相交界面撕裂 而成；U区为疲劳裂纹扩展区；川区为裂纹快速扩展区及瞬断区（剪切唇） 。在 疲劳源区可见牙底存在的裂纹（图 2），在U区的高倍放大形貌中可见疲劳辉纹 （图3），快速扩展的微观形貌为细小韧窝及撕裂棱（图 4）。图2 疲劳源区牙底裂纹（箭头所指）图 3疲劳n区的疲劳辉纹图4快速扩展区的韧窝花样3.螺栓表面观察去除螺栓表面的镀锌层后在扫描电镜下观察，可见绝大部分牙底均存在周向裂纹，两个螺栓均如此（图5中箭头所指）。ab2号螺栓）4.硬度1号螺栓为33.0HRC（三点平均）2号螺栓为35.0HRC（三点平均）5.金相将断裂螺栓沿中心线

18、轴向剖开，利用显微硬度法检测脱碳层（G 值和E值）1 号螺栓：G=0, E= 0.35mm2 号螺栓：G=0, E=0.41mm图6为螺栓表面脱碳层的金相组织。1号螺栓25 X图62号螺栓25X 螺栓表面的脱碳层在剖面上可观察到，几乎所有的牙底存在明显的裂纹， 两个螺栓的情况基本 相同（图6），这与螺栓表面扫描电镜（图5）所看到的情况吻合。裂纹的高倍放 大形貌表明，该裂纹实际上是一种加工折叠，折叠方向为同一朝向，在折叠的缺 口尖端诱生出细小的径向裂纹。25 X100X1号螺栓（右图为左图的放大）1026 X100X2号螺栓（右图为左图的放大）图7螺栓牙底裂纹（箭头所指）（A处为折叠，B处为疲劳

19、裂纹）1 级（GB螺栓材料的非金属夹杂物主要为球状不变形夹杂物，评定为10561-1989 （图 8）。#图8原材料的非金属夹杂物100 X螺栓基体组织为均匀的保持马氏体位向的回火索氏体组织（图9）,但在牙底折叠裂纹处由于脱碳而存在较多的铁素体，该处的硬度为287HV0.31 号螺栓500 X2 号螺栓500 X2号螺栓250 X图9 螺栓金相组织另外，在1号螺栓的纵向金相磨面上，清晰可见一条浅色的贯穿螺栓全长的 管状偏析条带（图10）,在该区存在较多的线点状夹杂。而 2号螺栓却不存在上 述现象。图101号螺栓中心区的带状偏析 8 X二、分析检验结果表明，两个螺栓的基体组织为正常的回火索氏体。

20、 基体硬度符合标 准GB/T3098.1-2000中对10.9级螺栓所规定的3239HRC的范围。两个螺栓的E值（1号为0.35mn,2号为0.41mr）i均不符合上述标准所规定 的最小值（0.0511mm，说明螺栓表面的半脱碳深度已经超标。两个螺栓的断口存在明显的海滩状疲劳弧线和疲劳辉纹， 表明螺栓的断裂为 疲劳破断。最后断裂区位于螺栓表面一侧，由此可判断。螺栓在使用过程中承受 的是单向弯曲疲劳应力。从断口中疲劳区和快速扩展区的相对大小来看， 说明螺 栓承受的是中等强度的外加载荷。断裂的两个螺栓牙底存在折叠缺口（图 7），折叠形成的尖锐缺口因应力集 中可能会削弱螺栓的疲劳强度，因而极易在缺口

21、尖端诱发疲劳裂纹的萌生， 牙底 折叠缺口在离断口的第二个牙底就已经存在， 该处并未拧入螺母中，说明折叠并 非是由于螺栓强迫拧入螺母而形成的（假定螺栓拧入螺母的部位可能产生此类折 叠的话）。当然，在螺栓与螺母的装配过程中，倘若由于某些原因出现强迫装配 的情况，在螺栓中将会形成过大的附加拉应力，无疑也会降低螺栓的寿命。在 1号螺栓心部产生的管状偏析带，是由于原材料生产中出现的问题，尽管 不是造成螺栓断裂最直接的原因，但对螺栓的寿命有不利影响，在金相观察中， 发现位于偏析区的断口区比正常区域存在多而深的二次裂纹证明了这一点。三、结论1. 两个螺栓的断裂属于单向弯曲疲劳断裂。裂纹由螺栓牙底部的折叠尖锐

22、缺口处开始扩展。122.溜冰鞋螺钉、螺母断裂原因分析一、概况某厂生产的溜冰鞋轮子上的螺钉、螺母在装配后未经使用便出现自然断裂。 因此，该厂要求对螺钉断裂的原因进行分析。螺钉规格为M515.5，材料为1018钢；螺母外形尺寸为由6. 3X32. 5, 材料为10B2I。螺钉经渗碳处理，表面镀锌。送检样品包括断裂和未断裂的螺钉和螺母共计 36个螺钉断裂位于螺纹终止 端最后一扣处或过渡圆角处，其中以过渡圆角处断裂为最多。螺母全断在内螺纹 终止处。断裂与未断裂螺钉、螺母的典型外观形貌如图 1。图1断裂与未断裂螺钉外观形貌13二、检测1.断口图2分别为螺钉、螺母断口的低倍体视形貌。螺钉断口为平断口，无剪

23、切唇， 宏观上可断为脆性断口，断裂快速扩展区 放射状条纹区占断口面积的 3/4， 从放射条纹的收敛方向可知，断裂源位于螺纹表面。螺母断口为斜断口，外圆周存在明显的剪切唇，与剪切唇相对方向为断裂源 区，即断裂起始点位于内螺纹的齿根部。 从剪切唇明显存在的事实说明螺母的宏 观塑性较好。在扫描电镜下观察断口，螺钉断裂源区的微观形貌为沿晶断裂， 并存在二次 裂纹，晶粒表面存在微量塑性变形及鸡爪花样（这是氢脆的典型断口特征）（图3），另外在断裂起始区附近的表面观察到表面裂纹（图 3c中箭头所指）。裂纹快 速扩展区的微观形貌为准解理断裂（图4），部分区域也存在部分韧窝及沿晶特征， 并有二次裂纹。螺钉8X图2螺钉、螺母断口低倍体视形貌螺母8X（箭头所指为断裂源区）(a)(b)(c)图3螺钉断口源区扫描电镜形貌图4螺钉断口裂纹快速扩