高强度动车底座六角头螺栓断裂失效分析

8.8级动车底座六方螺栓，规格为M16×130，材质为35CrMo钢。螺栓安装于动车底部，安装扭矩为120N•m，采用垫片与钢丝穿孔拧紧的防松措施，车辆行驶约12万公里后发现螺栓断裂。

断裂件检查，螺栓在螺纹处断裂（图中左侧）；螺栓头下与杆部多处有明显的磨损痕迹,一侧较严重（图中右侧），见图11-128。

（1）对断口宏观检查

可见断口附近无明显塑性变形，断裂发生于螺纹牙底，见图11-129。

断裂螺栓的断面宏观形貌，可见断口平整，无明显腐蚀产物，断面位于螺纹牙底，可见明显的疲劳弧线，如图11-130。

                                                                                           图11-128  断裂件宏观形貌

                                           图11-129 断裂件断口宏观形貌           图11-130  断面宏观形貌

（2）对断口微观检查

   图11-131所示为断面扫描电镜低倍形貌，可见明显的疲劳弧线，占整个断面积的80%以上，呈现典型的疲劳断裂特征。

   图11-132可见明显的磨损痕迹，为疲劳源区。

图11-133、图11-134有明显的疲劳条带，疲劳扩展区的条带间距较小。

图11-135所示为瞬断区，可见明显的韧窝形貌。

图11-131 断面电镜低倍形貌             图11-132疲劳源区有磨损痕迹

图11-133 疲劳扩展区疲劳条带          图11-134疲劳扩展区疲劳条带

图11-135  瞬断区韧窝形貌

（3）金相检测

   图11-136所示为送检断裂螺栓心部金相组织，为回火索氏体。

图11-137所示为送检螺栓断口附近螺纹部位的金相组织，可见螺纹部位碳势正常，牙顶无明显缺陷；牙底流线完整，无明显缺陷。

图11-136   断裂螺栓金相组织           图11-137螺栓牙顶牙底金相组织

（4）硬度检测

对断裂螺栓进行表面及心部硬度试验，结果为心部硬度273、279、283 HV10；表面硬度313、317、319HV0.3硬度结果满足《GB/T 3098.1 -2010》对于8.8级螺栓（250～320 HV10）技术要求。由于螺栓为热处理后滚牙，造成表面硬度比心部硬度高40HV左右，属正常情况。

（5）化学成分分析

采用直读光谱法对螺栓进行了化学成分分析，符合《GB/T3077-1999》标准中对35CrMo钢的要求。

断裂螺栓金相组织、化学成分、表面不连续性、表、心硬度等均符合标准要求，螺栓断裂与材质无关。

断裂螺栓宏观形貌显示螺栓头下与杆部有明显的磨损痕迹，一侧磨损较严重。有两种情况的其中一种会造成磨损痕迹：螺栓与装配孔不同心，装配时造成表面摩擦磨损，一侧较严重；另一种是在服役过程中螺栓已产生松动，松动后的螺栓与配合零件相互摩擦也会造成表面磨损。该螺栓两种情况都有造成较严重的磨损。

螺栓与装配孔不同心，装配后造成螺栓受力复杂，螺栓受到拉应力、扭转应力、弯曲应力的复合作用；松动后的螺栓受力更加复杂，易在应力集中部位的螺纹底部产生微裂纹。

断面宏观形貌显示，断面有大面积疲劳条带，呈疲劳断裂特征，疲劳源区位于螺纹牙底，疲劳扩展区占整个断面约五分之四，疲劳条带间距较窄，最后断裂区面积较小，可以判定螺栓的断裂性质为典型的高周应力疲劳断裂。

该动车底部的螺栓，装配后已受到多种应力作用；在车辆行驶过程中，螺栓又受到交变载荷作用。螺栓的防松措施不到位，在多种应力作用下产生松动，并在应力集中部位的螺纹底部产生微裂纹，在交变应力作用下，微裂纹成为疲劳源，疲劳裂纹不断扩展直至最终螺栓失稳疲劳断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1）螺栓的断裂性质是高周应力疲劳断裂。

（2）螺栓疲劳断裂根本原因是装配孔不同心，造成螺栓受力复杂，防松措施不到位造成螺栓在服役过程中出现松动，综合因素使螺纹底部产生微裂纹，在交变载荷下微裂纹不断扩展，最终螺栓疲劳断裂。

（3）对于装配受剪螺栓一定要保证装配孔的同心度在要求范围内。

（4）对受交变载荷作用的螺栓要做好防松措施，防止在工作中产生松动。