六角螺栓疲劳断裂分析

六角头螺栓，规格M20×120mm，性能等级为8.8级，材料40Cr钢，表面经热镀锌处理，螺栓安装后，在服役了一段时间后出现断裂。

螺栓断裂件外观见图11-38，断裂位置为杆部与螺纹结合处的螺纹部分，断口附近螺纹和杆部无明显表面损伤痕迹。

图11-38断裂螺栓样品

断口宏观分析：整个断面上有较多锈斑，断裂起源于一侧的螺纹牙底（图11-39），向对面一侧扩展；疲劳源区可见多条明显的疲劳台阶，源区附近的断口表面平坦、光滑、细密，疲劳扩展区断面粗糙；整个断口可见大量疲劳条带，从疲劳条带位置和区域判断，断口上的瞬断区面积较小。

在扫描电镜下对断口进行微观观察，疲劳源区的形貌可见较多台阶（图11-40箭头所指），裂纹源区有多条放射状台阶条纹（图11-40箭头所指为裂纹扩展方向），表明裂源区存在着多个裂纹源，这些裂纹源均始于螺纹牙底。

在疲劳扩展区可看到疲劳条带，扩展区形貌为解理断裂形貌（图11-41）。

断面中心区域有较多孔洞（图11-42）。

图11-39  断口宏观形貌                  图11-40  裂纹源多条放射状条纹

图11-41  扩展区解理形貌            图11-42  中心区域孔洞

对断面化学元素进行能谱分析，在疲劳源和疲劳扩展区均未发现腐蚀性元素。

用光谱法对断口附近材料进行化学成分检测，表明螺栓材料成分符合《GB/T 3077-1999》标准中关于40Cr钢化学成分的要求，

对断口附近横截面进行低倍缺陷分析，按照GB/T1979-2001标准进行评级，可评为中心疏松2级（图11-43）。

经检测显示断口附近螺栓的心部组织为正常回火索氏体（图11-44），表面有脱碳现象，但经检测该脱碳层深度符合GB/T3098.1-2000标准要求。沿断口纵向制取试样，对断口附近螺纹形貌进行观察，发现螺纹牙底存在微裂纹，裂纹位于牙底的脱碳区域，裂纹两侧无氧化现象（图11-45）。

图11-43  2级中心疏松                 图11-44  回火索氏体组织

图11-45螺纹根部脱碳及微裂纹

在断口附近进行硬度检测，螺栓表面硬度和心部硬度均符合《GB/T 3098.1 -2000》标准要求。

表面硬度(HV0.3) 256/258/256，心部硬度(HV10) 305/304/297

表面硬度比心部硬度低约50HV。

经检测显示螺栓的化学成分、显微组织和心部硬度正常。

螺纹牙底存在微裂纹，裂纹位于牙底的脱碳区域，裂纹两侧无氧化现象，说明微裂纹是在受到应力的作用时形成的，但反应出该螺栓在受到应力的作用时，在螺纹牙底容易形成微裂纹，可以判定该裂纹是在长期服役条件下由于表面脱碳和应力集中萌生的裂纹断面中心区域的孔洞是原材料本身的低倍缺陷。螺栓表面存在脱碳，中心存在疏松，使螺栓强度降低。螺栓断裂属疲劳断裂，从疲劳扩展区和瞬断区的面积看，疲劳扩展区面积大于整个断口面积的90%，断口上疲劳条带细密，并且可见大量的疲劳条带，说明螺栓在工作应力下裂纹扩展充分，名义应力较低，螺栓疲劳属低应力高周疲劳；裂纹源区有多条台阶条纹，说明裂源区存在应力集中。当表面存在缺陷时就可能产生应力集中而形成台阶条纹，且出现多源疲劳。通过断口分析和金相分析，均表明疲劳裂纹起源于牙纹底脱碳区域，在应力作用下产生并检测到多处疲劳源和裂纹。

该螺栓表面存在脱碳现象，脱碳导致螺栓表面硬度下降，降低了螺栓的疲劳强度。另外，螺栓在长期的交变应力作用下，螺栓表面强度较低而又是应力集中的地方就往往会成为裂纹的萌发源。且螺纹牙底处本身就应力较为集中，在螺栓的长期服役条件下，由于脱碳导致的此处疲劳强度的降低最终使得根部成为疲劳源，并形成多源的疲劳裂纹，最后疲劳断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1） 螺栓的断裂为疲劳断裂。

（2） 由于脱碳导致疲劳强度的降低，其螺纹牙底处为应力集中的地方成为疲劳源，在长期的交变应力作用下形成多源的疲劳裂纹，最后疲劳断裂。

（3） 螺栓的加工工艺过程要保证满足技术质量的要求，防止脱碳。

（4） 加强螺栓的原材料检查，保证原材料满足技术质量的要求。