案例一螺栓失效分析
汽轮机高温螺栓断裂失效分析
０ 引 言
机 械 产 品设 计 者 的 主要 任 务 ． 是为社会 提供质量 好 、 寿 命
长、 成 本 低 的产 品 。 为此 ， 设计 、 制造者必须针对产品使用 中出
１ ． ２ 解理 断 裂
一
种 在正 应 力 作用 下产 生 的 穿 晶 断 裂 ， 通 常 沿 一 定 的 严 格
晶裂纹 ， 导 致 螺 栓 发 生 沿 晶脆 性 断裂 。 另外 ， 螺 栓 在 检 修 中 出现 表 面 损 伤 或 受 较 大 的 预 紧力 也 是 螺 栓 断 裂 的 另 一 原 因 。通过 对 某 火 力 发
电厂汽轮机高温螺栓失效 分析 ， 认 为 高 温 螺 栓 断 裂 机 理 以 蠕变 断 裂 为 主 ； 根据螺栓更换及判 废标准 ， 对 现 行 的 螺 栓 监 督 检 验 方法 的 有
ｉ ｎ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ．
Ｋ ｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｓ ｔ ｅ ａ ｍ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ； ｈ ｉ ｇ ｈ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｂ ｏ ｌ ｔ ； ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ； ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｇｕｏ Ｃｈ ｅ ｎ， Ｚｈａ ｎ ｇ ｌ ￣ｅ ｎｑ ｉ
失效案例分析
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b.氢致开裂（HIC）
在钢的内部发生氢鼓 泡区域，当氢的压力 继续增高时，小的鼓 泡裂纹趋向于相互连 接，形成有阶梯特征 的氢致开裂。氢致开 裂发生不需要外加应 力（载荷应力、残余 应力），故从概念讲 不属于应力腐蚀破坏 范畴。
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c.硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）
• 硫化氢在液相水中，由于电化学的作用，在阴极反应时生成氢 原子渗透到钢的内部，溶解于晶格中，导致脆性增加（氢原子 渗透到钢的内部晶格，在亲和力的作用下生成氢分子，钢材晶 格发生变形，材料韧性下降，脆性增加），在外加拉应力或残 余应力的作用下形成开裂。
2、焊接裂纹有不同的特性，要根据不同的裂纹产生机理 及形式选择检测的时机与方法，提高检验的有效性。
• 延迟裂纹 • 液化裂纹
3、对于易产生焊接裂纹的钢种，一旦发现裂纹，应扩大 检验比例。
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案例1：反应流出物换热器管箱入口不锈钢法兰开裂
某石化炼油厂，2010年大修检验发现，反应流出物换热器管箱入口 不锈钢法兰开裂。 主要原因：
P≤0.008%、Mn≤1.30%，且应进行抗HIC性能试验或恒 负荷拉伸试验。
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在湿硫化氢应力腐蚀环境中使用的其它材料制设备和管 道应符合下列要求：
铬钼钢制设备和管道热处理后母材和焊接接头的硬度应不 大于HB225（1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo）、HB235 （2.25Cr-1Mo、5Cr-1Mo）或HB248（9Cr-1Mo）；
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湿硫化氢环境分类（NACE 8X196） 一类：不选用抗HIC钢，可不做热处理 二类：可选抗HIC钢，要进行热处理 三类：选用抗HIC钢，要进行热处理
螺纹紧固件失效分析案例(第1部分)
螺纹紧固件失效分析案例全国紧固件标准化技术委员会机械工业通用零部件产品质量监督检测中心二〇〇八年6月序机械产品失效是一门关于研究机械产品质量的综合性技术学科，主要研究失效的规律与机理。
机械零件的失效是在特定的工作条件下，当其所具备的失效抗力指标不能满足工作条件的要求时发生的。
导致零件失效的本质原因可能是材料本身的失效抗力不足，也可能是零件存在与设计或制造等过程有关的缺陷。
产品的早期失效往往是产品质量低劣或质量管理不善及科学技术水平不高的直接反映。
失效发生后能否尽快作出正确的判断，确定失效原因，制定防止失效的措施，则是衡量有关科技人员技术水平的重要标志。
加入WTO后，我国的产品将参与国际市场的竞争，于是提高产品质量成为提高竞争力的关键因素。
失效分析则是定量评定产品质量的重要基础，也是保证产品可靠性的重要手段。
机械科学研究总院、机械工业通用零部件产品质量监督检测中心在进行大量失效分析的基础上（包括对断裂、腐蚀和磨损的深入研究，特别是断口、裂纹和痕迹分析），分析了可能出现失效的形式和类型，以供大家在生产中借鉴，在生产工艺中加以避免出现失效的可能；同时，在今后的质量纠纷中维护自己的正当权益。
机械工业通用零部件产品质量监督检测中心熊学端研究员从事了几十年失效分析研究工作，有很深的理论造诣，积累了丰富的失效分析经验，本文中列举了部分螺纹紧固件失效分析案例，希望能够为生产企业及用户提供良好的参考和借鉴；同时，中心愿为生产企业和用户在今后的失效分析中提供技术咨询和指导。
全国紧固件标准化技术委员会目 录第一部分 失效分析概述 (1)1. 失效定义 (1)2. 失效分析的意义、目的 (1)3. 失效的来源 (1)4. 失效分析的思路、方法 (1)5. 断口分析 (2)6. 断口分析部分名词术语 (3)第二部分 失效分析案例 (7)1. 汽车上臂螺栓断裂原因分析 (7)2. 溜冰鞋螺钉、螺母断裂原因分析 (12)3. 紧定螺钉断裂原因分析报告 (20)4. 连杆螺栓断裂原因分析 (25)5. 汽车轮毂螺栓断裂原因分析 (29)6. M8×55高强度螺栓断裂原因分析 (33)7. 高压开关螺栓断裂原因分析报告 (37)8. 沟槽刚性接头紧固螺栓断裂原因分析报告 (42)9. 定位螺钉断裂原因分析 (47)10. M36×280高强度螺栓断裂原因分析 (53)11. 高压线塔联结螺栓断裂原因分析 (59)12. 中压电器用螺栓断裂原因分析报告 (64)13. 网架螺栓断裂原因分析 (66)14. 螺钉断裂原因分析 (69)15. 吊环螺钉断裂失效分析 (73)16. 螺栓失效原因分析 (79)第一部分 失效分析概述在具体讲述螺纹紧固件失效分析案例以前，先对失效分析的定义、意义、目的；失效的来源；失效分析的思路与方法；断口分析和名词术语等做一简单叙述。
SCM435螺栓断裂失效分析
s261体视显微镜下对断口进一步观察，断面干净、色泽呈亮灰色、结构粗糙，可观察到断裂的起源位于螺栓的近表面应力集中处，裂纹快速扩展区及剪切唇都明显可见，具有脆性断裂的典型特征。
图3所示为螺栓断口体视显微形貌。
用JSM-IT300扫描电镜对断口进行观察分析，断1#与断2#裂纹源位置相同，但裂纹源处并未发现有非金属夹杂等其他缺陷，整个断口都呈沿晶断裂，属脆性断裂。
图4、图5所示为断口扫描电镜形貌。
（3）化学成分分析 用ARL4460直读光谱仪对4根螺栓进行化学成分分析，螺栓化学成分如表1所示。
结果表明，2根失效螺栓化学成分与2根未失效螺栓化学成分基本一致，且都符合标准规定。
（4）微观组织检验 将1#断裂螺栓和4#未断螺栓切据后加工成金相试样，用4%硝酸酒精腐（a ）断裂1 （b ）断裂2图3 螺栓断口体视显微形貌图4 1#断口扫描电镜形貌有微小次生裂纹，呈沿晶断裂特征。
1#和4#螺栓都呈现回火马氏体组织，马氏体位向特征明显，马氏体板条界和板条内部析出大量细小的碳化物颗粒。
组织中也存在一定数量的大颗粒碳化物，该碳化物尺寸在1μm 左右，为奥氏体化时未溶碳化物，如图6、图7所示。
（5）维氏硬度检测 将1#断裂螺栓沿中心纵向剖开（见图8），在维氏硬度试验机上进行硬度检测，结果（见表2）未见异常，符合标准要求。
（6）非金属夹杂物金相评级检验 按GB/T10561—2005规定A 法对1#、4#螺栓进行非金属夹杂物评级。
从夹杂物评级中未（a ） （b ）图1 1#断裂螺栓的宏观形貌（a ） （b ）图2 2#断裂螺栓的宏观形貌蚀，在金相显微镜和扫描电镜下观察，1#试样在裂纹源处发现（a）（b）（c）（d）图6 1#螺栓次生裂纹形貌和扫描电镜组织形貌（a）（b）图7 4#螺栓扫描组织形貌图8 1#螺栓硬度检测部位表2 1#螺栓硬度检测结果（HV）位置Min Max平均纵向404418410.9横向405416408.6图5 2#断口扫描电镜形貌表1 螺栓化学成分（质量分数）（%）螺栓C Si Mn P S Cr Mo Al 1#（断裂）0.370.230.750.0170.0020.990.190.029 2#（断裂）0.380.220.770.0160.0020.980.180.031 3#（未断裂）0.370.250.760.0170.0020.980.190.030 4#（未断裂）0.360.240.760.0170.002 1.000.180.031图9 1#断裂螺栓氢析出曲线图10 4#未断螺栓氢析出曲线断裂特征。
20MnTiB钢螺栓断裂失效分析
王 弘等 : 20M nT iB 钢螺栓断裂失效分析
门槛应力 , 不足以发生应力腐蚀开裂[ 3] 。 ( 3) X 射线微区元素定性分析结果显示腐蚀物 为铁的氧化物, 表明上述应力腐蚀的机理是阳极溶 解型
[ 3]
保证结构的使用安全。
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Байду номын сангаас结论
。 由于受测试性能的限制 , 电子探针仪仅能分析
螺栓断裂失效的主要原因是由于螺栓根部存在 着初始裂纹, 初始裂纹尖端的应力集中和露天工作 环境的共同作用使螺栓产生应力腐蚀开裂。应力腐 蚀开裂的方式是阳极溶解型。 参考文献 :
收稿日期 : 2002 10 21 作者简介 : 王 弘 ( 1960 ) , 男 , 副教授 , 硕士。
M22( GB1228- 1984) , 螺栓材料为 20MnT iB 钢, 这是 国标推荐的高强度螺栓用钢 , 在相同硬度下, 与中碳 合金钢比较, 具有更加良好的韧性和可锻性, 较好的 强韧性, 还 可避免脱 碳现象[ 1] 。其 化学成 分 ( 质量 分数) 为: C 0. 17% ~ 0. 24% , Si 0. 17% ~ 0 37% , Mn 1 30% ~ 1. 60% , T i 0. 04% ~ 0. 1% , P< 0. 035% , S< 0. 035% , B 0. 0005% ~ 0. 0035% 。 螺栓材料在加工前经过严格的化学成分检验, 符合标准要求。加工螺栓用毛坯为热轧圆钢。加工 前毛坯全样经超声波无损探伤检验合格。螺纹采用 滚丝工艺加工。其热处理工艺为 880 400 中温 回火, 组 织为回火屈氏 体
500 #
T he corrosive on fracture surface
M icrostructure of failed bolt
悬置螺栓断裂失效分析
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Based on the analysis of fracture, chemical composition, mechanical properties, tightening performance and other aspects of comprehensive verification, this paper analyzes the cause of the suspension bolt fracture of a certain automobile. The results show that the bolt is overload fracture caused by the change of friction coefficient.Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：suspension bolt; overload fracture; friction coefficient; axial force摘要：本文从断口分析、化学成分、机械性能、拧紧性能等方面开展综合验证，分析了某汽车悬置螺栓断裂原因。
结果表明，该螺栓为摩擦系数变化引起的过载断裂。
关键词：悬置螺栓；过载断裂；摩擦系数；轴向力中图分类号：TG142.1 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2020)03-0180-04悬置螺栓断裂失效分析Fracture Failure Analysis for Suspension Bolt庞院，王福平，马秋，郭秋彦，袁成逸（浙江吉利汽车研究院有限公司，宁波 315336）PANG Yuan, WANG Fu-ping, Ma Qiu, GUO Qiu-yan , YUAN Cheng-yi (Zhejiang Geely Automobile Research Institute, Ningbo 315336)引言汽车悬置螺栓的作用是将动力总成与车体连接在一起，是整车装配中非常重要的紧固件。
螺栓失效分析
螺栓失效分析■ 史可庆，刘哲，刘永超2017年5月接到某公司邀请，分析解决该公司设备失效问题。
到厂后对于此失效设备进行了初步调查取证：此失效件为齿轮上的固定螺栓，螺栓头部与本体断开失效。
沟通得知本产品的相关信息，螺栓为购买的轧制半成品，材质为20MnTiB 。
自行热处理后使用，工艺为：860℃保温后淬火，然后420℃回火。
成品硬度为33～40HRC ，抗拉强度R m ≥1030MPa ，淬火后心部90%以上为马氏体。
调取热处理操作记录和监控，排除工艺执行问题引发失效的可能性。
1. 宏观分析失效螺栓为在齿轮上的固定螺栓，螺栓头部与本体断开失效，头部内端面有明显的撕裂失摘要：某公司齿轮上螺栓失效。
通过宏观分析、成分分析、硬度测试、金相分析等工作，对失效的原因进行了分析。
结果表明：该螺栓在近内表面54.25μm 处存在裂纹，此缺陷在淬火前已存在，淬火后使得缺陷加剧扩展，导致螺栓服役期间失效。
建议首先严格控制原材料的纯净度，降低夹杂物的影响，其次增加热处理前的无损检测工序，以保证淬火质量。
关键词：螺栓失效；裂纹；硫化物夹杂；疲劳断裂扫码了解更多效形貌，且有明显贝纹线。
该螺栓外表面是经过涂层处理的，有银色涂层存在，如图1所示。
2. 理化分析（1）光谱分析 将螺栓头部外端面用铣床铣掉表层涂层，进行光谱分析和硬度测试如图2所示，结果如表1、表2所示。
根据表1的结果分析，成分符合20MnTiB 的要求，且无明显的成分偏析状况。
（2）硬度检验 将螺栓头部沿着中心轴线锯切为两半，磨制试样，然后在内端面进行硬度检验如图3所示。
分析结果如表2所示。
根据表2的结果分析内外表面硬度（a ） （b ）图1 失效螺栓宏观形貌表1 外表面化学成分分析（质量分数） （%）均符合32～39H R C要求，根据D I N50150标准推算强度也符合R m≥1040MPa的要求。
（3）金相检验将剖切面进行磨制抛光，进行金相分析，在剖切面一侧发现靠近内端面有一处裂纹，裂纹方向与内端面平行，裂纹距内端面最大距离305.35μm，距内端面最小距离54.25μm。
发动机连杆螺栓断裂失效分析
2021年 第4期 热加工771 序言对于汽车发动机而言，连杆螺栓不仅是将螺栓头部和螺杆联接在一起的紧固件，还是联接连杆大端轴承座与轴承盖使之成一体的重要螺栓。
连杆螺栓不仅受到装配时的预紧力[1]，在发动机的运行中还要承受活塞连杆往复运动惯性力和连杆旋转离心力的交变载荷作用，而且在气缸的压缩和做功行程中，还要受到每分钟上千次交变应力的冲击[2]。
各种失效模式的研究和案例也时有报道[3-6]，对汽车用断裂螺栓进行失效分析，研究其产生故障的特征、规律及原因，可为汽车的生产、使用或维修中采取有针对性地改进和预防措施提供理论依据，防止同类故障再次发生[7]。
2020年2月，某故障发动机在拆机之后发现其中一缸的进、排气部位缸体被击穿，连杆外露，另有紧固连杆的两根螺栓发生断裂（见图1）。
通过对断裂螺栓进行失效分析，主要包括断口分析、材料鉴定、拧紧工艺排查等方面，对螺栓的整个生命周期环节做了梳理，试图从螺栓的设计、生产检测以及拧紧工艺等方面找出螺栓断裂的原因，并解决连杆螺栓断裂问题。
2 连杆螺栓2.1 化学成分分析断裂螺栓规格为M8×1.0×40-6h ，其强度等级为10.9级，螺栓材料SCM435，是JIS G4035—2003中的一种热轧钢线材，属于低合金结构用钢，主要合金元素是Cr 、Mo 。
表1列出JIS G4035—2003中SCM435化学成分标准要求和断裂螺栓的化学成分分析结果，符合要求。
发动机连杆螺栓断裂失效分析叶枫，陈旺湘，胡志豪，马照龙浙江义利汽车零部件有限公司 浙江义乌 322000摘要：故障发动机被拆解之后发现固定连杆轴瓦的两根螺栓发生了断裂，通过对断裂螺栓进行宏观观察、SEM 显微分析以及对断口附近材料进行材质分析，研究确认连杆螺栓的断裂形式、原因，并提出相关改进措施。
结果表明：连杆螺栓断裂性质属于疲劳断裂，其中一根螺栓是完全疲劳断裂，另一根是部分疲劳和部分剪切断裂。
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案例一螺栓断裂失效分析
某螺栓生产厂家生产的螺栓在用户使用过程中发生断裂，为分析螺栓断裂原因，进行了化学成分测试、金相组织观察、螺栓断口观察、能谱测试以及硬度测试等，并对螺栓断裂做出了结论。
1、化学成分分析
螺栓成分分析采用成分分析仪，正常断裂、异常断裂螺栓成分见表1，从表中可以看出正常断裂螺栓与异常断裂螺栓成分都符合GB/T3077-1999《合金结构钢》中对45Mn2钢的要求。
表1 材料化学成分分析结果（质量分数，%）
C Si Mn P S Cr Ni Fe
正常断裂螺栓0.421 0.250 1.498 0.011 0.001 0.078 0.021 余量
异常断裂螺栓0.425 0.269 1.534 0.011 <0.001 0.068 0.019 余量标准值0.42~0.49 0.17~0.37 1.4~1.8
2、金相组织分析
取平行于断裂截面的试样，打磨、抛光并观察其组织形貌。
下图1(a)、1(b)所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓的金相组织形貌，从图中可以看出螺栓金相组织均为回火马氏体。
(a)正常断裂螺栓；(b)异常断裂螺栓
图1 螺栓金相组织形貌
3、宏观断口形貌分析
正常断裂螺栓、异常断裂螺栓宏观断口形貌如图2(a)、2(b)所示。
由图可知
两个螺栓均从中心起裂，裂纹向四周扩展。
正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面都具有裂纹源、扩展区、瞬断区三个部分，正常断裂螺栓扩展区面积比异常断裂螺栓大，瞬断区面积则比异常断裂螺栓小。
这与异常断裂螺栓应力（165KN ）比正常断裂螺栓断裂应力(215KN)小相吻合。
同时正常断裂螺栓断裂截面较为平整，异常断裂螺栓在裂纹源附近呈凹陷状。
(a)正常断裂螺栓； (b)异常断裂螺栓
图2 螺栓断裂截面
4、 微观断口形貌分析
图3所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面裂纹源附近的微观形貌，从图中可以看出正常断裂螺栓组织较为平整，而异常断裂螺栓中心附近可见含有夹杂物的微孔。
图4所示为夹杂物所在位置，图5为夹杂物能谱分析图，表2为其对应的元素分析表，从表中可以看出夹杂物中主要元素为O 、Si ，并存在少量的Mg 、Al 、Ca 元素，其中O 元素的含量很大，故较杂物主要为SiO 2，存在少量的MgO 、Al 2O 3、CaO 。
裂纹源
扩展区
裂纹源
扩展区
瞬断区
瞬断区
a) b)
(a)、(b)为正常断裂螺栓；(c)、 (d)为异常断裂螺栓；（d ）图中三角形标记为能谱点
图3 螺栓断口显微形貌
图4 夹杂物能谱分析
表2 夹杂物能谱测试化学成分
5、 显微硬度分析
取平行于断裂界面的试样，磨样、抛光并从表层到中心每隔1mm 测量其显微硬度。
正常断裂螺栓与异常断裂螺栓的显微硬度值如表3所示，从表3中可以看出正常断裂螺栓和异常断裂螺栓从表层到中心的显微硬度都没有明显的差别。
元素 C O Mg Al Si Ca Fe 重量百分比 2.95 39.48 2.36 5.84 22.10 2.10 25.18 原子百分比
5.68
57.17
2.25
5.02
18.23
1.21
10.44
d)
c)
表3显微硬度值（单位：HV）
1mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 6 mm 7 mm 8 mm 9 mm 正常断裂螺栓376 359 366 370 353 384 360 359 342 异常断裂螺栓358 344 350 360 358 345 358 358 357 6、结论
（1）正常断裂螺栓和异常断裂螺栓材料成分45Mn2符合标准要求，金相组织与其所使用热处理工艺正常组织一致，两螺栓硬度分布和大小
符合工艺要求；
（2）异常断裂螺栓内部存在SiO2等夹杂物，在拉伸检验过程中夹杂物微孔形成应力集中，过早萌生裂纹，微裂纹聚集，最终导致螺栓异常
断裂。