特种钢螺栓使用断裂失效分析

B7M等级螺栓,规格为1″-8×160mm，42CrMo钢制作，表面处理为银白色电镀锌，螺栓在使用过程中发生断裂。

16.8.1  试验过程与结果

断裂件宏观检查，螺栓断裂位置在螺纹处，断裂处有明显的塑性变形，见图16-48。

图16-48  螺栓断裂件宏观形貌

断裂件断口已锈蚀，断面平坦，断口附近无明显塑性变形，但仍可分辨锈蚀之前断口颜色呈灰色，有明显的撕裂脊，呈放射状花样，放射线从中心向四周发射，见图16-49。

图16-49 断口宏观形貌

（1） 扫描电镜观察

（2） 对断口采用扫描电镜观察：  整个断口基本上以解理为主，还有少量韧窝，微观形貌见图16-50、图16-51。

    图16-50 断口解理形貌                     图16-51  断口解理＋韧窝形貌

（2）低倍缺陷检查

   对螺栓横截面试样进行酸浸试验，发现螺栓存在中心疏松，见图16-52.

对螺栓纵截面试样进行酸浸试验，部分金相试样在螺纹处的内部至少有2个垂直轴线的横向裂纹，见图16-53。

打开横向裂纹，发现其横向裂纹的面积已基本占据了整个横截面，其形态与（图16-49所示）断裂件断口十分相似。

图16-52  螺栓中心疏松              图16-53  螺栓纵截面低倍缺陷        

（3） 金相检查

分别取螺栓纵截面和横截面制成金相试样，进行显微组织检查，组织中存在严重偏析，致使显微组织不均匀，见图16-54。

对螺栓螺纹根部附近的组织进行了观察，未发现脱碳现象，见图16-55。

螺栓显微组织为回火索氏体组织，见图16-56

组织中含有较严重的夹杂物，依照《GB/T 10561-2005》标准，氧化物类夹杂物级别为粗系2.5级，其形态分布见图16-57。

图16-54纵向显微组织    200×           图16-55  螺纹根部组织   50×

图16-56 回火索氏体组织 500×              图16-57  夹杂物组织形态  100×

（4）硬度检验与材质分析

分别在螺栓的近表面、1/2半径处、中心等处进行硬度检测，检测结果：

近表面硬度为323～330 HV0.3；1/2半径处硬度为233～350 HV0.、中心处硬度为249～255 HV0.. 硬度检测结果显示螺栓的硬度值均匀性很差

   用直读光谱法对断口附近的材料进行化学成分分析，分析结果，材料的化学成分符合《GB/T 3077-1999》标准42CrMo钢的要求。

16.8.3分析与讨论

从断口的宏观形态上可以看出，裂纹面较平坦，呈灰色，有明显的呈放射花样的撕裂脊，放射线是从中心向四周放射的。裂纹断口的微观形态也是以解理形貌为主，还有少量韧窝形貌。内裂纹断口与断裂件断口的宏观、微观相同，扩展后螺栓断裂，其内裂纹断口与断裂件断口相同，说明先有了内裂纹，内裂纹扩展最后断裂。

螺栓材料的化学成分符合42CrMo钢的标准成分。螺栓的硬度值均匀性很差。金相组织存在偏析；心部存在中心疏松；还有多的夹杂物，使材料的内在质量降低，不仅降低了材料的韧性和塑性，造成螺栓内部硬度不均匀，因此，施加载荷后首先在心部在中心疏松的地方产生裂纹，而后形成横向内裂纹。螺栓安装后，在安装应力作用下横向内裂纹不断扩展，螺栓最后断裂。螺栓断裂后没有及时发现，断口遭氧化锈蚀。

螺栓材质不良，组织偏析，存在较多的夹杂物，其心部又存在原材料中心疏松，造成热处理后硬度不均，螺栓在安装应力作用下，裂纹先在中心形成，然后向外扩展，产生横向内裂纹，在使用中横向内裂纹不断扩展，螺栓失稳脆性断裂。

螺栓拧紧螺母后，在螺杆上产生的轴向拉力分布是不均匀的，轴向力在旋合各圈螺纹牙间的分布呈双曲余弦函数关系，第一圈螺纹牙承受的轴向力最大，然后依次减小，产生的横向内裂纹大小不一致，在使用中较大的横向内裂纹扩展，螺栓失稳脆性断裂。

16.8.3 结论与启示

（1）由于螺栓材质不良、组织偏析、存在夹杂物、中心疏松，造成热处理后硬度不均，使螺栓在安装应力作用下产生横向内裂纹，横向内裂纹在使用中不断扩展，最后失稳断裂。

 （2） 加强紧固件原材料的入厂检查和投料检查，不合格的原材料不投产。