特种钢电车螺栓失效分析

安装在发电车上的8.8级螺栓, 规格为M20×55，材质为45钢，安装扭矩为265N•m，未采用防松措施。该车总共安装六枚螺栓，服役一段时间后发现三枚螺栓断裂。

 试验过程与结果

故障螺栓的断口穿过相邻两螺纹牙底和牙顶，无塑性变形，外表面涂层完好，见图11-138。

图11-138  故障螺栓宏观形貌

断裂螺栓断面平坦，表面有轻微腐蚀及受外物磕碰造成的损伤，螺栓断面上部（黑色箭头所指处）有明显的疲劳条带，呈疲劳断口特征。白色箭头所指处的疲劳条带不太明显，根据疲劳条带分布及断口观察，疲劳裂纹起源处应位于螺栓边沿，红色箭头所指附近，见图11-139所示。

图11-139  试样断面宏观形貌

图11-140为螺栓断面宏观形貌，为方便分析将断面分为A、B、C三区域。

                        图11-140  断面宏观形貌

图11-141、图11-142所示分别为A区微观形貌，可见准解理特征及舌状花样，A区为疲劳源区

图11-141   A区微观形貌                    图11-142   A区微观形貌

图11-143、图11-144所示为B区微观形貌，可见准解理特征及舌状花样。

图11-144可见明显的疲劳条带，呈现疲劳断裂特征，B区为疲劳裂纹扩展区。

图11-145为C区形貌，可见准解理特征及较多二次裂纹，为最终断裂区。

图11-143  断面B区微观形貌                图11-144 断面B区微观形貌

图11-145 断面C区微观形貌

对断裂螺栓进行牙底硬度梯度及心部硬度试验,螺栓心部硬度符合《GB/T 3098.1-2010》对8.8级螺栓的要求；牙底表面由于脱碳，硬度较低。试验结果牙底硬度梯度如图11-146、心部硬度如图11-147。

图11-146   牙底硬度梯度                     图11-147  心部硬度

图11-148为送检螺栓心部金相组织，为回火索氏体及大量块状铁素体，根据《GB/T 13320-2007 钢质锻模件 金相组织评级图及评定方法》规定评定回火索氏体级别为5级。图11-149所示为螺纹牙顶金相组织，牙顶存在半脱碳组织和折叠，牙顶折叠缺陷，深度约90μm，但未超过牙高的1/4。

图11-148  断裂螺栓心部金相组织          图11-149  断裂螺栓牙顶金相组织

图11-150所示为螺纹牙侧金相组织可见牙侧存在半脱碳层，按照《GB/T 3098.1 - 2010紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》9.10章节规定，采用硬度法检测螺纹脱碳层深度，结果表明螺纹未脱碳高度E值和全脱碳层深度G值符合标准规定。

图11-151所示为螺纹牙底金相组织，可见牙底呈圆弧过渡，存在轻微脱碳，无明显不连续性缺陷。

图11-150  断裂螺栓牙侧金相组织           图11-151 断裂螺栓牙底金相组织

失效螺栓非金属夹杂物检查，根据《GB-T 10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定标准》满足技术要求。

采用直读光谱法对螺栓进行化学成分分析，其化学成分符合《GB/T 699-1999》标准中对45钢的要求。

断裂螺栓化学成分、表面不连续性、心部硬度等均符合标准要求，断裂与材质无关。

断面宏观形貌显示，断面有大面积的疲劳条带，呈疲劳断裂特征，疲劳扩展区占整个断面90%以上，疲劳条带间距较窄，瞬断区面积较小，可以判定螺栓的断裂性质为高周疲劳断裂，最终断裂时所承受应力较小。

金相组织显示心部有较多铁素体，说明螺栓在调质过程中心部未被淬透，其大块状铁素体造成强度相应较低。

虽然表面及心部硬度及脱碳层深度（E值、G值）指标符合《GB/T 3098.1-2010》的相关规定，根据《GB/T 5779.3-2000 紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 特殊要求》规定，该类折叠属于允许存在的缺陷。

但螺栓表面有半脱碳，螺纹上存在折叠缺陷。螺栓存在的脱碳和折叠，在静载荷下服役，其性能尚能满足使用要求，但是当螺栓在有振动或交变载荷下服役时，脱碳层的存在和折叠缺陷，就会导致螺栓表面疲劳强度降低，易在螺纹牙底等应力集中处萌生疲劳裂纹。

螺栓最终断裂区面积较小，表明螺栓在最终断裂时所承受的应力较小，说明螺栓断裂前已经松动。在振动条件下工作的螺栓，若没有有效的防松措施很容易产生松动，松动后的螺栓受力更加复杂，螺栓在复杂的交变应力作用下，已萌生的疲劳微裂纹容易进一步扩展，最后疲劳断裂。

安装在发电车上的该螺栓，未采用防松措施，螺栓在振动条件下服役，容易造成松动。由于螺栓表面有脱碳、螺纹上存在折叠缺陷、心部金相组织存在较多块状铁素体，使螺栓强度降低；松动后易在螺纹牙底等应力集中处萌生疲劳裂纹，在交变应力作用下，已萌生的微裂纹进一步扩展，最后疲劳断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1）螺栓的断裂性质是高周疲劳断裂。

（2）螺栓表面有脱碳、螺纹上存在折叠缺陷、心部金相组织存在较多块状铁素体；在在振动条件下螺栓松动并产生微裂纹，微裂纹在交变应力作用下疲劳扩展，最后疲劳断裂。

（3）选材环节，由于45钢淬透性较差，一般不生产M12以上规格的8.8级螺栓，建议选用ML40Cr或ML35CrMo钢。

（4）加强热处理过程控制，防止螺栓表面脱碳及改善金相组织。

（5）加强螺纹成型的工艺控制，防止螺栓滚压螺纹时产生螺纹折叠。

（4）设计环节，当螺栓服役工况有振动或交变载荷时，对于螺栓表面脱碳的要求不应局限于《GB/T 3098.1-2010》的简单要求，并在安装过程中采取有效的防松措施。