实验室紧固件常见典型疲劳断裂失效分析案例

摘要：本文通过对近三年实验室检测中遇到的紧固件类失效分析进行归类，并对最常见的疲劳失效情况进行总结，列举了两个典型分析案例，通过金相显微镜，扫描电子显微镜观察断口宏、微观形貌，并对力学性能进行分析。

0 引言

    紧固件是国民经济不可缺少的机械基础件，素有“工业之米”之称，可谓无处不在，无处不用。紧固件虽小，但关键部位其作用却很大，所以紧固件不仅是关键基础件，更是安全件，一旦紧固件发生失效，不能履行其设计赋予它规定的功能，则会产生严重的后果。因此，紧固件的可靠性、安全性非常重要。

    紧固件失效的主要形式有过载断裂、氢脆、应力腐蚀开裂、疲劳断裂、腐蚀失效、液态金属致脆、高温所致失效、变形与脱扣等［1］。其中疲劳断裂是工程中最常见到的断裂方式，据统计，近三年来，我司所受理的紧固件失效分析类案件高达41 起，其中因疲劳断裂的紧固件类失效案件23 起，约占总数的56.1%。目前，经过长期的研究和实践经验发现断裂主要以疲劳断裂形式为主。影响紧固件失效的因素是多方面的，最为常见的失效模式是疲劳断裂。目前我司所受理的23 起紧固件疲劳失效案件，经分类整理紧固件疲劳失效可分为表面状态和安装受力状态两方面。

1 表面状态

    某公司送检断裂螺栓一件做失效分析。规格型号M20×240-12.9，该螺栓在车辆上使用，车辆在地下及地面线路上运行，在地面库内检修和存放，停放库内温度不低于0℃，车辆运行的环境温度为-20℃～+45℃。螺栓表面达克罗处理，螺栓的紧固扭力为525N﹒m，螺栓使用一段时间后发生断裂。

1.1 试验过程和分析

    螺栓断口宏观形貌如图1.1，可以看出断口起源于上下两侧，无明显塑性变形，，可见疲劳弧线，裂纹源可见疲劳台阶，疲劳扩展面积较小，瞬断区面积较大。电镜观察裂纹源低倍形貌，断口上下两侧扩展区都能看到疲劳弧线，裂纹源呈线性，扩展区可见疲劳条带（图1.2），瞬断区可见韧窝形貌。

    螺栓的基体硬度平均值为399HV,抗拉强度1200MPa、断后伸长率8%、断面收缩率44%、规定非比例延伸0.2%的应力1100MPa 都符合GB/T 3098.1-2010［2］的标准要求。螺栓金相组织是回火索氏体+少量铁素体+少量贝氏体，纵截面组织带状偏析。断口下方裂纹源纵截面侵蚀前后金相见图1.3 和图1.4，由于带状组织相邻带的显微组织不同，它们的性能也不同，在外力作用下性能低的带易暴露出来，而且强弱带之间会产生应力集中，因而会使总体力学性能降低，并且有明显的各向异性。

    从宏、微观观察断口，裂纹起源于螺纹根部，属于反复弯曲疲劳断口，裂纹源呈线性。疲劳扩展区面积较小，瞬断区面积较大，说明螺栓断裂前受到较大载荷。金相分析显示断口起源于螺纹齿底，从侵蚀前可见裂纹源及各个螺纹表面都有比较密集的显微裂纹，侵蚀后螺纹表面组织脱碳，裂纹源位置还存在完全脱碳层。

    综上分析，螺栓螺纹表面存在完全脱碳层及脱碳层中密集的显微裂纹，削弱了该处的强度，在螺栓服役过程中，位于螺栓应力集中部位的螺纹齿底的脱碳层上的显微裂纹开始疲劳扩展，且在较大的反复弯曲交变载荷作用下，导致螺栓断裂。螺栓材料中的非金属夹杂较多，且存在带状偏析，会影响螺栓的机械性能。

1.2 结论

1）螺栓属于反复弯曲疲劳断裂；

2）螺栓螺纹表面脱碳及脱碳层中的显微裂纹，在受到较大的反复交变载荷作用下，从螺纹齿底位置的脱碳层及显微裂纹处萌生疲劳裂纹。

2 安装受力状态

    某公司送检断裂螺钉进行分析，螺钉规格型号M8×30-8.8。使用五年后发生断裂，其他同期安装设备未出现断裂。

2.1 试验过程和分析

    断裂螺钉和未断裂螺钉均存在不甚明显的弯曲，断口平齐，断面平坦见图2.1，断裂发生在头杆过渡区附近。

    硅酸盐类C：i=1.5（粗系），局部宽度达到《GB/T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定》［3］的宽度上限——12μm， 基体组织：球粒状珠光体。

    螺钉的金相组织和硬度未见异常。观察到的非金属夹杂局部很粗，会降低螺栓的性能。现对螺钉使用中的受力进行分析。端盖简图如图2.2 所示。根据客户提供的数据，安装力矩为18N·m，内部液体冲击时最大压力为5MPa，端盖安装螺栓四根。

    预紧轴力与扭矩之间的关系为M=μ·F 轴力·d ， μ 的范围是0.11～ 0.15 ，预紧力F 轴力max=18/(0.11×0.008)=20455N，F 轴力min=18/(0.11×0.008)=15000N，预紧力小于21200N，符合标准《GB/T3098.1-2010 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》中对M8-8.8 螺栓的保证载荷要求。

    端盖的承载面积Ap 为π×(802-282)/4=4411mm2，螺钉螺距为1.25mm，螺帽深度8mm，螺栓在端盖中深度约为23-8=15mm，承载面积As=π×(8-0.9382×1.25) 2/4=37mm2。受到冲击时，单根螺栓受力为：

Fs=Φ·FA=δp/(δp +δs) ·FA/4 =FA· (lp/Ep·Ap)/( lp/Ep·Ap + ls/Es·As)/4

=(As·lp/(Ap·ls+As·lp)·FA=37×35/(4411×15+37×35)×4411×5/4=106N。

d2=8-0.6495×1.25=7.2mm，螺距P=1.25mm，

考虑螺栓受到的弯矩作用，根据第四强度理论，

Wp=π/16·ds 3=π/16×(8-0.9382×1.25) 3=62.5mm3，

MG= F 保载·d2/2·[P/(π·d2)+1.155μmin]

=21200×7.2/2×[1.25/(7.2·π)+1.155×0.11]=13914Nmm

τ=MG/Wp=223N/mm 2，F=F 保载+Fs=106+21200=21306N，σs= Fs/As =2.9 N/mm2，

σ=F/As=21306/37=576 N/mm2，σ 总=[σ2+3×(0.5·τ) 2] 1/2=608N/mm2，

σ 总＜Rp0.2min=640MPa，符合《GB/T 3098.1-2010 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》中对M8-8.8螺栓的要求。

    对于冲击疲劳载荷， 交变应力最大应力幅为2.9MPa ， 最小应力幅为0 ， 应力幅差=2.9 ＜10%·Rp0.2min=64MPa，符合经验要求。

    经计算，安装力矩和工作载荷均在《GB/T 3098.1-2010 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对M8-8.8级螺栓的要求内。

    螺栓在头杆过渡区发生疲劳断裂，且产生塑性变形，属于过载断裂，除了非金属夹杂的影响外，不排除螺栓在安装时有可能未进行对角安装，导致螺栓受到附加切应力，造成疲劳断裂。

2.2 结论

1）螺栓基体组织和硬度未见异常。

2）观察到粗的硅酸盐夹杂，会降低螺栓性能。

3）螺栓安装扭矩和使用载荷均在《GB/T 3098.1-2010 紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对M8-8.8级螺栓的要求内。

4）推测螺栓在安装时有可能未进行对角安装或因受到冲击力作用，导致螺栓松动，受到附加切应力作用，造成螺栓疲劳断裂。

参考文献：

［1］陶春虎.紧固件的失效分析及其预防[M]. 北京：航空工业出版社2013 ,72-118.

［2］全国紧固件标准化技术委员会.GB/T 3098.1-2010 紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱［S］.中国标准出版社，2011.8.

［3］何群雄、栾燕等.GB/T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法［S］.中国标准出版社，2005.9.