高强度螺栓疲劳断裂失效如何检测

307A等级大扁头方颈螺栓，规格为3/8×5”，材料为ML08AlCK，生产标准为ASTM A307，双模双冲成型。

该批螺栓成品试验时，对螺栓采用6°斜垫片进行楔负载试验，试验时部分螺栓断裂掉头失效，掉头故障约为20％。

 试验过程与结果

取该批10件螺栓进行楔负载试验，实验严格控制拉伸速度与楔垫角度。试验分成两组，其中5个采用方孔楔垫，边长9.86mm，另外5个为圆孔楔垫，孔径13.40mm，两组螺栓分别有一个掉头。通过对10个螺栓的6°楔负载试验结果分析，基本排除试验方法及设备的影响，将两掉头螺栓标记为1号,2号。

断口宏观分析，掉头螺栓（1号、2号）断裂断口约距头下方颈边1～2mm，断口宏观形貌分别如图14-40、图14-41。

图14-40   1号头部断口宏观形貌           图14-41   2号头部断口宏观形貌

对两件故障螺栓的头下圆角处进行金相检查, 检查位置于螺栓距方颈约1～2mm处，一件有折叠，折叠向中心延伸，折叠长度＞2mm，见图14-42；另一件有小缺口和小折叠，见图14-43。

  图14-42 螺栓头下圆角处的折叠            图14-43 螺栓头下圆角的小缺口小折叠

           另外，取合格批螺栓两件，对头下圆角金相组织检查，两件螺栓头下圆角处处均无缺陷，如图14-44、图14-45。

图14-44 螺栓头下圆角处无缺陷组织        图14-45 螺栓头下圆角处无缺陷组织

    对掉头螺栓和没有掉头螺栓进行化学成份分析，成份分析结果均在材料标准范围内，基本无差异。

分析与讨论

经对故障批螺栓及合格成品螺栓进行对比试验，宏观和微观形貌检查结果，基本排除材料及检测方法引起掉头的可能性。

螺栓头下距方颈边1～2mm处有明显较严重折叠，位置与两掉头螺栓头部断裂处位置相吻合，结合断口微观形貌分析，确定该批次螺栓掉头由头下折叠引起。

由于该批螺栓成形工艺不当，造成螺栓头下圆角处产生折叠。但该批螺栓头下圆角处有的折叠很深，有的较浅；头下圆角处又是应力集中的地方，折叠很深的螺栓经6°楔负载试验时，螺栓受拉应力和弯曲应力作用，头下应力集中处的折叠扩展，使螺栓掉头失效。

折叠较浅的螺栓和无折叠的螺栓，在6°楔负载试验时能经受拉应力和弯曲应力作用而不掉头。

  由于该批螺栓成形工艺不当，造成部分螺栓头下应力集中处的圆角处产生较深的折叠裂纹，这部分螺栓在6°楔负载试验时，因折叠裂纹较深在拉应力和弯曲应力作用下，较深折叠扩展使螺栓掉头断裂失效。

结论与启示

（1） 该批螺栓掉头断裂失效原因是螺栓头下应力集中处的圆角处，有较深的折叠裂纹。

（2） 由于该批螺栓成形工艺不当，造成部分螺栓头下应力集中的圆角处产生折叠裂纹。折叠较深的部分螺栓，在6°楔负载试验时，螺栓受拉应力和弯曲应力的作用使折叠裂纹扩展，最后螺栓掉头失效。

（3）大扁头方颈螺栓在成型时，头下应力集中的圆角处容易产生折叠裂纹，因此，一定要制定合适的成型工艺，防止折叠裂纹的产生。