超高强度螺栓断裂失效分析
35CrMo钢高强螺栓断裂失效分析
35CrMo钢高强螺栓断裂失效分析韩克甲;赵晓辉;李洪伟【摘要】某风电厂铁塔用紧固高强螺栓在使用一个月后于螺纹处出现多根断裂现象.通过宏观检验、化学成分分析、力学性能试验、金相检验、断口分析等方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:失效高强螺栓螺纹处表面全脱碳层深度超标,且脱碳层深度极不均匀,在全脱碳层最大深度处容易产生应力集中,并造成螺栓表面部分区域的强度和抗疲劳性能下降,无法承受设计载荷,从而导致高强螺栓在此处出现应力裂纹并最终发生疲劳断裂失效.%The high strength bolts used for tower fastening in a wind power plant, appeared multiple fracture phenomena at the thread position after a month's use.By means of macro examination, chemical composition analysis, mechanical property test, metallographic examination, fracture analysis and so on, the fracture reasons of the bolts were analyzed.The results show that the surface total decarburization layer depth of the failure high strength bolts at the thread position exceeded the standard requirement, and at the same time the decarburization layer depth was very uneven.Stress concentration easily formed at the deepest total decarburization position, and the decarburization also caused the decrease of strength and fatigue property of the bolts at local positions and made the bolts not bear the design load.So stress cracks appeared here and resulted in the final fatigue fracture failure of the high strength bolts.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2017(053)006【总页数】4页(P434-436,441)【关键词】高强螺栓;脱碳;应力裂纹;疲劳断裂【作者】韩克甲;赵晓辉;李洪伟【作者单位】淄博市新材料研究所, 淄博 255040;淄博市新材料研究所, 淄博255040;淄博市新材料研究所, 淄博 255040【正文语种】中文【中图分类】TH131.3某风电厂采购一批铁塔用紧固高强螺栓，螺栓规格为M24 mm×120 mm。
高强度螺栓钢延迟断裂分析
高强度螺栓钢延迟断裂分析西宁特钢技术资料高强度螺栓钢延迟断裂分析一、高强度螺栓在实际运行中的受力情况及其性能要求螺栓在各种机构中起着连接、紧固、定位、密封等作用。
螺栓在安装时需要预先拧紧，因此都需要承受静拉伸载荷。
预紧力越大，连接强度和紧固、密封性就越大。
除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，通常还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸(交变)载荷、横向剪切(交变)载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷的作用。
通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。
因此，在应用高强度螺栓时，对材料成分、冶金螺栓结构、制造工艺、安装及使用提出了更高的技术要求。
一般来讲，高质量、强度螺栓及其用钢应满足以下要求:(1) 高的抗拉强度，以便抵抗拉长、拉断、滑扣和磨损。
(2) 较高的塑性和韧性，以减少对偏斜、缺口应力集中和表面质量的敏感性。
(3) 对于在海边、河边、油田等潮湿大气或腐蚀气氛环境下工作的螺栓，要求螺栓材料具有足够低的延迟断裂敏感性，以保证螺栓工作时安全可靠。
(4) 对于承受交变载荷和冲击载荷的螺栓，要求具有较高的疲劳抗力和多次冲击拉伸抗力，以抵抗疲劳、多冲断裂。
(5) 对于在严寒地区或低温下工作的螺栓，还要求具有低的韧-脆转化温度。
(6) 中小直径螺栓往往多采用冷镦成形螺栓头和搓(滚)丝生产工艺，这就要求材料具有良好的冷镦等冷加工工艺性能。
二、高强度螺栓钢的延迟断裂及特征钢的回火马氏体组织具有良好的强度和韧性配合，而且还可以通过调整碳和合金元素等添加元素的种类、数量和热处理工艺而控制其强度，因此在合金钢中得到了十分广泛的应用。
然而回火马氏体钢在自然环境下易发生延迟断裂，且延迟断裂敏感性随着强度的提高而增大。
同时，高强度螺栓属于缺口零件，具有很高的缺口敏感性，容易在缺口集中部位如杆与头部的过度处或螺纹根部产生延迟断裂。
12.9级高强度螺栓断裂原因分析
~测试与分析-12. 9级高强度螺栓断裂原因分析焦丽1,赵英军1,张伟民2，孙晓东1，周兰梅1(1.河北华北柴油机有限责任公司，河北石家庄050081;2.陆军装备部驻北京地区军事代表局驻石家庄地区第三军事代表室，河北石家庄050081 )摘要：柴油机12.9级高强度螺栓材料为42C r M 〇钢，在紧固过程中发生断裂。
对断裂的螺栓进行了宏观 检验、化学成分分析、锻造纤维流线检验和金相检验，并检查了螺栓的加工工艺，以揭示其断裂的原 因。
结果表明：螺栓在镦锻过程中，头-杆结合部产生了裂纹，大大减小了螺栓的有效承载面积，在 紧固力的作用下发生断裂。
检查发现，螺栓有因热处理不当而产生的脱碳，但这不是造成螺栓断裂 的原因。
关键词：高强度螺栓;镦锻；断裂中图分类号:T G 157文献标志码：A文章编号：1008-丨690(2020)04-0042-04Analysis on Fracturing of 12.9 Grade High-strength BoltJIAO Li' , ZHAO Yingjun 1 , ZHANG Weimin2, SUN Xiaodong' , ZHOU Lanmei 1(1. H e b e i H u a b e i Diesel E n g i n e Co., Ltd., Shijiazhuang 050081 , H e b e i C h i n a ；2. 3th Military Representative Office in Shijiazhuang Reg io n of Military Representative B u r e a uof the A r m y A r m a m e n t D ep a r t m e n t in Beijing, Shijiazhuang 050081 , H e b e i China)Abstract ： T h e 12.9 grade high-strength bolts of diesel engine, m a d e from 42C r M o steel, fractured in the processof fastening. T h e fractured bolt w a s tested for macroscopic a p p e a r a n c e , chemical c omposition, forged fibre flow a n d microstructure, a n d its work i ng process also w a s c h e c k e d , to discover the reason w h y i t fracturing. T h e results s h o w e d that crack e m a n a t e d from head-rod joint of the bolt during upsetting. A s a result, effective load-bearing area of the bolt w a s considerably reduced, thus fracturing under the action of fastening force. It w a s revealed from the examination that the bolt exhibited decarburization du e to the fault in heat treatment but this is not the cause of the bolt fracturing.Key words ： high-strength bolt ； upsetting ； fracturing〇引言螺栓是普遍使用的紧固件，常被称为工业之 米[|]。
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。
5
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
高强度螺栓断裂分析-扭矩过大
记录号：JS-AL-紧固件-023
高强度螺栓断裂分析
摘要：由 30CrMnSi 制造的高强度螺栓，经调质处理，在安装时发生断裂。分析结果表明： 螺栓断裂是由于外应力过载引起的超载断裂。
中关键词：高强度螺栓；超载断裂 材料种类/牌号：合金结构钢/30CrMnSi 概述 国由30CrMnSi制造的高强度螺栓，经调质处理，在安装时发生断裂。 测试过程与结果 断口分析 应 断口宏观形貌属纤维状断口，如图1所示，由纤维状分布形态可判断螺栓为扭力作用下 引起的断裂。
急 分 析 网
图1 螺栓断口宏观形貌，纤维状条纹由螺纹根部区发散，条纹呈弧形弯曲， 说明主要是在超载扭转应力作用下引起的断裂。
扫描电镜观察断口属韧窝型断裂，如图2所示。由于材料强度较高，断裂时速度较快， 在某些部位出现准解理断裂，如图3 所示。
1
中 国 应 急 图2 螺栓断口扫描电镜形貌，略带方向性的韧窝，由于螺栓材料强度较高，
故韧窝较小。
分 析 网
图3 螺栓断口微观形貌以韧窝为主，局部有少量的准解理断裂，这是由于螺栓材 料强度较高及断裂时外应力较高所致。这些特征均为外应力过载造成的断裂 特征。
金相检验 金相检验显微组织为回火索氏体，组织正常。
结论
2
分析结果表明螺栓断裂是由于外应力过载引起的超载断裂。
参考文献
[1]黄振东.钢铁金相图谱.北京：中国科技文化出版社，2005，1258-1259 页.
中资料整理人：王冬梅 审核人： 吴伯群
国家钢铁材料测试中心 国家钢铁材料测试中心
国
应急分析网 Nhomakorabea3
大型起重机高强度螺栓的断裂失效分析
大型起重机高强度螺栓的断裂失效分析摘要：本文通过对一台大型起重机高强度螺栓断裂失效的分析，探究其原因和解决方法。
初步分析结果表明，螺栓断裂的主要原因是材料强度不足、应力过大和使用环境恶劣等因素导致的。
针对这些问题，本文提出了一系列改进措施，包括选用高强度材料、降低应力和改善使用环境等方面。
通过实验验证和理论计算，改进后的螺栓具备更高的强度和耐用性，可以有效地提高装置的稳定性和安全性。
关键词：起重机；高强度螺栓；断裂失效；强度分析；改进措施正文：1. 背景介绍大型起重机是现代工业中不可或缺的设备之一。
在使用过程中，螺栓作为连接装置的重要组成部分，在保证装置的稳定性和安全性方面起着至关重要的作用。
然而，螺栓也是易受力集中的零部件，容易出现断裂失效的情况。
因此，对螺栓失效进行分析和解决具有重要的理论和实践意义。
2. 断裂失效分析2.1 断裂形态分析通过对失效螺栓的断口形态进行分析，可以初步了解其失效原因。
观察失效螺栓的断口，发现其呈现出典型的断裂韧突混合断口。
2.2 强度分析对失效螺栓的材料进行强度测试，发现其强度值低于设计要求。
在使用过程中，由于受到集中载荷的作用，应力过大导致螺栓逐渐疲劳并最终断裂。
2.3 环境分析失效螺栓所处的使用环境恶劣，存在高温、湿润等不利因素。
因此，失效的螺栓容易受到腐蚀和氧化等影响，导致其材料性能和强度下降。
3. 改进措施针对分析结果，本文提出了一系列改进措施：3.1 选用高强度材料为了提高螺栓的强度，可以选用高强度材料来替代原有的材料，例如S45C、SCM43等。
这样既可以提高螺栓的耐久性，也可以在承受大载荷时发挥更好的作用。
3.2 降低应力在设计过程中，应尽可能减小螺栓所承受的载荷和应力，从而减少螺栓的疲劳损伤和断裂的可能性。
可以通过优化结构、增加支撑和缓冲措施等方法实现此目的。
3.3 改善使用环境在实际使用中，应注意维护和保养，防止螺栓受到腐蚀和氧化的影响。
可以采用表面防护涂层、常规保养和定期更换等措施，延长螺栓的使用寿命。
螺栓断裂分析报告
螺栓断裂分析报告一、引言螺栓是一种常见的连接元件，在机械设备和结构工程中得到广泛应用。
然而，螺栓在使用中可能会发生断裂，给机械设备和结构的安全运行带来隐患。
本报告旨在对螺栓断裂进行分析，并提供解决方案，以确保设备和结构的安全性。
二、螺栓断裂原因分析1.质量问题：螺栓断裂可能是由于螺栓本身存在质量问题所致，如材料强度不符合标准、制造工艺不良等。
为此，应关注螺栓的采购渠道和制造工艺，并严格按照相关标准进行选择和检测。
3.腐蚀问题：腐蚀是导致螺栓断裂的常见原因之一、在潮湿、酸性或碱性环境中，螺栓易受到腐蚀，使其材料的强度降低。
因此，在腐蚀环境中应选择抗腐蚀性能良好的螺栓材料，并进行定期维护保养。
4.紧固力不均匀：不正确的紧固力分布可能导致螺栓在负载过程中承受不均匀的力，从而引发断裂。
在安装过程中，应根据设备或结构的要求，采用正确的紧固力分布方案，并进行定期检查和调整。
三、螺栓断裂的解决方案1.优化选材：根据设备或结构的负荷、工作环境等要求，选择合适的螺栓材料。
关注材料的强度、韧性、抗腐蚀性等指标，并遵循标准进行选材。
2.合理设计螺栓连接：根据实际负荷情况和工作要求，合理选用螺栓的规格、数量和布置方式，并确保紧固力的均匀分布。
在设计过程中，可以借助有限元分析等工具来验证螺栓连接的安全性。
3.定期检查和维护：对于暴露在恶劣环境中的螺栓，应定期进行检查和维护，特别是针对腐蚀环境。
清洁螺栓表面，涂覆抗腐蚀涂层，必要时更换受损螺栓，以延长其使用寿命。
4.强化管理和培训：通过建立规范的螺栓管理制度和培训机制，提高操作人员的专业水平，加强螺栓使用和维护的知识宣传，以减少螺栓断裂的发生。
四、结论螺栓断裂是机械设备和结构工程中常见的问题，但可以通过合理选材、优化设计、定期维护和加强管理来减少其发生。
对于已经断裂的螺栓，应及时进行更换，并对其断裂原因进行调查分析，以避免类似问题再次发生。
通过以上措施的综合应用，能够提高螺栓连接的安全性和可靠性，保证设备和结构的正常运行。
螺栓断裂分析报告
高强度螺栓断裂分析曾振鹏(上海交通大学高温材料及高温测试教育部重点实验室，上海200030)摘要:采用断口分析、金相检验和硬度测定等方法，对高强度螺栓断裂原因进行了分析。
断口分析结果表明，断口平坦，呈放射状花样，微观形态主要为准解理花样，表明螺栓的断裂是脆性断裂;同时发现，在断口附近还存在横向内裂纹，内裂纹的断口形态与断裂断口一样。
金相分析表明，材料棒中存在严重的中心碳偏析，而中心碳偏析是引起断裂的主要原因。
关键词:高强度螺栓;准解理;横向内裂纹;中心碳偏析某厂生产的一批规格为M30×160mm的高强度大六角头螺栓，在进行验收试验时发生断裂。
螺栓材料为35CrMoA，采用常规工艺生产，硬度要求为35～39HRC。
1 检验1.1 材料的化学成分用VD25直读光谱仪进行了材料化学成分分析，分析结果(质量分数)列于表1。
从表1可以看出，材料的化学成分符合标准要求。
1.2 硬度测定硬度测定结果列于表2。
由表可见，螺栓材料硬度虽符合技术要求，但已接近上限。
1.3 材料的显微组织(1)在抛光态下，可见材料中含有较严重的夹杂物，其形态、分布见图1。
对照标准[2]，夹杂物级别为3～4级。
图1 夹杂物形态及分布状况100×图2 螺栓的显微组织280×4%硝酸酒精溶液侵蚀(2)显微组织见图2。
组织为回火马氏体+粒状贝氏体，并有少量铁素体。
从图2可明显看出，组织中存在严重偏析，出现回火马氏体和粒状贝氏体带，致使显微组织不均匀，而且在回火马氏体带中存在MnS夹杂。
对样品螺纹根部附近的组织进行了观察，未发现脱碳现象。
1.4 断口分析(1)图3a为断口的宏观形貌，断口较平坦，表面呈灰色，有明显的撕裂脊，呈放射状花样，放射线从中心向四周发射。
表明裂纹先在中心形成，然后向外扩展。
当裂纹扩展至整个横截面时，螺栓断裂。
图3 断口的宏观形貌图4 断口微观形貌(2)断口的微观形态基本上以准解理花样为主，还有一些二次裂纹，如图4所示。
螺栓断裂分析课件
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２ 分析与讨论
（1）螺栓断口无明显的宏观塑性变形，裂纹扩展区面积较大，且较平整， 有明显的疲劳弧线，瞬断区面积较小，结合３５ＣｒＭｏ螺栓的工作状态可 以判断，该螺栓的断裂性质为低应力疲劳断裂。
（2）经裂纹宏观与微观形貌观察，发现几乎每个螺纹牙底都分布着细长的 热处理裂纹。裂纹开口端较宽，尾部细长曲折，呈沿晶断裂，为典型的热处 理裂纹形貌。
螺栓断裂分析
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螺栓断裂分析
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螺栓断裂分析
图7 螺栓心部的显微组织
6
另外在螺纹的表面也发现了如图8所示的不光滑起皮 现象，截取端面研磨后置于光学显微镜下观察，发现在如 图9中箭头所指处的螺纹表面存在大量 折叠缺陷。折叠缺 陷是由于螺纹表层在滚压过程中受到挤压力而产生的重叠 层。
图8 螺纹表面的起皮现象
纵剖面热处理裂纹的未侵蚀形貌
图６ 沿晶热处理裂纹侵蚀后的形貌
螺栓断裂分析
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１.３ 显微组织及显微硬度检测
螺栓的热处理工艺为调质处理，显 微组织为正常的回火索氏体（图7）， 符合调质处理的显微组织状态。回火索 氏体是马氏体的一种回火组织，是铁 素体与粒状碳化物的混合物，具有良好 的韧性和塑性，同时具有较高的强度和 硬度，具备良好的综合力学性能。对螺 栓心部进行维氏硬度检测，检测结果为 ４１１ＨＶ，符合相关标准中硬度 ＞ ３１８ＨＶ的要求。
（3）另外发现螺纹表面不光滑，主要是由于螺栓的滚压工艺不当，造成了 折叠、起皮等缺陷所致。
螺栓断裂分析
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３ 结论
３５ＣｒＭｏ螺栓的断裂性质为低应力疲劳断裂。该螺栓在 制造过程中由于热处理及滚压工艺不当，造成了大量的裂纹和缺陷， 这些裂纹和缺陷存在很大的应力集中，成为疲劳裂纹源，在循环应 力的作用下裂纹逐渐扩展，最终发生了疲劳断裂。
失效分析
Ａｂｓｔｒａｃｔ：２０ＭｎＴｉＢ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｏｌｔ ｗａｓ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ａｆｔｅｒ ２４ ｈｏｕｒｓ ｓｅｒｖｉｃｅ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｅｏｐｒ， ＳＥＭ，ＥＤＡＸ，ｈａｒｄｏｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｎｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｅｄ ｂｏｌｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｏｌｔ ｅｘｉｓｔｅｄ ｃｒａｃｋｓ ｂｅｆｏｒｅ ｕｓｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｒａｃｋｓ ｌｅｄ ｔｏ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ＳＯ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍｏｖｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｔｏｐ ａｎｄ ｅｎｒｉｃｈｅｄ．Ｗｉｔｈ ｌｏｃａｌ ｉｎｃｅｒｅａｓｅ ｉｎ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｔｈｅｒｅ ＯＣ— ｃｕｒｅｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｄｕｃｔｉｌｅ－ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｉｎ ｂｏｌｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｌｔ；ｃｒａｃｋｓ；ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｄｕｃｔｉｌｅ－ｂｒｉｔｔｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ
表３慢应变拉伸性能测试结果
１’ａｈｉｅ ３ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｎｌｔ ｏｆ ｓｌｏｗ ｓｔｒａｉｎ ｔｅｎｓｉｏｎ
万方数据
５２
物理测试
第２６卷
图４断口处的显微组织 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ
图６断口形貌 Ｆｉｇ．６ ＳＥＭ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ
图５螺纹根部裂纹形貌 Ｆｉｇ．５ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｔ ｒｏｏｔ ｏｆ ｓｃｒｅｗ
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超高强度螺栓断裂失效分析
摘要：螺栓作为重要的紧固件，其失效事故发生较多，造成的危害很大。
其中，螺栓的氢脆断裂是较为常见的故障模式，由于氢脆大多与批次性问题有关，因此，危害性较大。
螺纹连接是发动机各部件之间最常用的连接方式，大概占到发动机
连接的70%。
螺栓的受力特点决定了它是发动机的薄弱零部件。
因此，连杆螺栓
的失效分析与预防十分重要。
本文分析超高强度螺栓断裂失效的相关内容。
关键词：超高强度螺栓；断裂失效；氢脆
超高强度螺栓是继铆接、焊接之后发展起来的一种钢结构连接型式。
它具有
施工简单、可拆卸、承载大、耐疲劳、较安全等优点。
因此, 高强度螺栓连接已
发展成为工程安装的主要手段。
1 实例分析
某型号高强度螺栓用于某轴承上，其强度要求很高。
该型螺栓在生产检验合
格服役5 个月后，发现个别螺栓相继在螺纹处发生断裂。
该型高强度螺栓为铰制
孔螺栓(螺纹长度95 mm)，材料为35CrMnSiA 钢，规格为M56，螺杆长度为
235mm，强度要求以GB/T3077-1999 为标准。
其制造工艺为：毛坯电渣重熔→预
加工→超声波探伤→粗加工(单边留量3～5mm)→调质处理(950℃淬火，630℃回火)→半精加工→淬火热处理(淬火温度为900℃，310℃回火)→力学性能检验→精
加工→磁粉探伤(包括螺纹部分)→表面油漆防护→装配。
目前，采用的无损检测手段无法检测出螺栓内部0.2mm 以下的微裂纹。
通过金相检验、氢含量检验和断口电镜扫描分析等相关的手段对断裂的螺栓及未断裂的随机抽取样品进行相应的检
验和断裂原因分析。
2 实验方法与结果
2.1 实验对象。
实验对象为该型螺栓2 枚，其中包括断裂的铰制孔螺栓，以
及对应同型号未断螺栓1 枚。
2.2 外观检验。
用肉眼观察，铰制孔螺栓断于第一节螺纹处断口均很平齐，无
塑性变形，断面与轴线垂直，为一次性脆性断口。
且在断口附近有明显的腐蚀痕迹。
2.3 化学成分分析。
分别对所取2 个螺栓试样进行化学成分检验分析，结果
表明，2 个螺栓化学成分含量均符合标准。
2.4 氢含量检测。
分别对已断裂的铰制孔螺栓及未断裂铰制孔螺栓的光杆边缘处、R/2 处及芯部进行氢含量检测，其中已断裂和未断裂的螺栓光杆边缘处及芯
部检测结果基本一致，R/2 处检测结果出入比较大，分别为2.0×10-6 和0.6×10-6。
2.5 断口分析。
将断裂的铰制孔螺栓断口清洗后置于扫描电镜下观察，断口
的形貌大部分均为沿晶和少量的韧窝。
见图1。
2.6 金相检验及硬度检测。
断裂的螺栓中均有氮化物夹杂，未断裂螺栓的齿面与齿根未
见微观裂纹，见图2。
已断裂螺栓存在个别夹杂物超出标准规定尺寸，未断裂螺栓无此现象。
已断裂螺栓的晶粒度级别为6~7，未断裂螺栓为5.5~6，显微组织显示齿面局部略有脱碳，
组织为回火马氏体，测得其硬度大于50 HRC，抗拉强度大于1750MPa，说明该材料的强度
级别很高，属于超高强度钢。
3 分析与讨论
上述实验结果表明：该型号螺栓无论在力学性能、化学成分以及晶粒度等方面均符合相
关标准。
该螺栓组织为回火马氏体，回火马氏体对氢是极其敏感的。
该螺栓的强度很高，因
此同样对氢脆的敏感性也很高。
一般来说，发生氢致延迟断裂需要同时具备以下三个条件：
材料内部有微裂纹、有拉应力及腐蚀环境。
该螺栓服役的环境为海洋大气环境，平时处于预
紧状态，受到拉应力的作用，螺纹根部受力为三向拉应力，根据前期的相关计算，螺栓所受
拉应力大小约为780MPa。
从螺栓的服役情况来看，发生氢致延迟断裂的后两个条件已经具
备了，根据历来经验，构件内部微裂纹产生有三种原因：由于环境(疲劳、腐蚀介质、高温
和联合作用等)的影响，在构件的圆角应力集中处，经过一段使用时间产生宏观微小裂纹；材
料中原来就存在缺陷；在加工过程中出现裂纹。
经过前期有限元分析知，螺纹根部为该螺栓
应力集中处之一，但该处并非圆角应力集中处，由此可以排除这种情况。
由于该螺栓用于极
其重要的特殊装备上，其毛坯在进厂时进行了严格的化学成分、低倍组织、非金属夹杂及芯
部晶粒度等项目检验，且均符合相关标准，这说明裂纹的产生由材料内部缺陷造成的可能性并不大。
从该螺栓的加工工序来看，完全有可能在加工的过程中导致其内部材料组织受损，
形成细小的微裂纹。
通过相关计算，该螺栓螺纹根部所允许的临界裂纹长度为0.07mm，而
目前无损检测手段无法检测出0.2mm 以下的微裂纹。
在螺栓加工的过程中完全有可能会使材
料内部组织受损而产生大于0.07mm 而小于0.2mm 的微裂纹，从而使现有的无损检测手段无
法检测出来。
因此，合格出厂的螺栓中也完全有可能会存有潜在发生氢脆断裂的螺栓。
螺栓
材料中微裂纹、应力集中和其他缺陷等的存在，是加速氢的聚集、扩散乃至断裂的必要条件，微裂纹也是螺栓断裂的断裂源。
由氢含量检测试验可以得出，断裂的螺栓比未断裂的螺栓在
R/2 处氢含量要高得多。
因此，该螺栓的断裂可以初步断定是由氢脆引起的。
氢脆可分为由
内氢和外氢引起的氢脆，内氢是在制造过程中侵入材料的氢，而外氢是在使用过程中由外部腐蚀环境侵入的氢。
在未断裂螺栓的氢含量检测中，其氢含量是符合相关标准的，由此可以
推断，断裂螺栓中的超标氢是来自外部腐蚀环境中的氢。
且内氢一般在螺栓使用前或使用后
比较短的时间内就会使螺栓出现裂纹或断裂；外氢进入材料内部需要有一个积累的过程，使
氢含量逐步达到破坏的含量，因此需要较长的时间才能使螺栓发生断裂。
由于该螺栓强
度要求很高，在以往的生产中曾因电镀镉引起过氢脆，后改进工艺取消电镀工序，改为表面油漆防护，这使得螺栓的抗腐蚀性能下降。
在铰制孔螺栓的断口附近可以明显看到有腐蚀的
痕迹，说明该螺栓确实存在腐蚀，也就存在由腐蚀而使螺栓吸氢的可能。
海洋大气环境含有
丰富的氢，部分原子态的氢被螺栓材料吸收进入螺栓内部，由于应力诱导扩散，使氢向螺栓
内微裂纹前沿最大三向应力处聚集，经过一段孕育期，当微裂纹前沿聚集的氢浓度达到临界
值时。
在氢和应力的共同作用下微裂纹就会开裂。
最终的结果是氢使裂纹开始扩展的临界应
力强度因子下降，也就是说氢促进了裂纹的扩展。
随即氢又进行上坡扩散向微裂纹前沿聚集，经过一段孕育期后微裂纹又发生开裂。
这一过程不断反复进行，当裂纹长度达到临界值时，
在应力作用下，裂纹失稳扩展，螺栓发生突然断裂。
在实际的应力腐蚀过程中，应力、氢和
腐蚀环境总是同时存在的，它们可以单独起作用，也可以同时对材料产生作用。
百万分之几
的氢含量就可导致超高强度钢发生氢脆。
因此，该型号螺栓的断裂是在应力、氢和腐蚀共同
作用下引起的氢致开裂型应力腐蚀断裂。
其中，氢来源于外界腐蚀环境。
4 建议
该型高强度螺栓的断裂性质为由应力、氢和腐蚀共同作用引起的氢致开裂型应力腐蚀断裂。
螺栓断裂主要是由于热处理工艺的不当，导致螺栓最终服役状态并非调质态，显微组织
为回火马氏体及未溶碳化物颗粒，所以螺栓的整体硬度过高; 另外，组织中存在链状及球状非金属夹杂物，螺纹部位也有多种取向的裂纹，因而螺栓在受到冲击或扭转载荷时，裂纹和非
金属夹杂可能成为裂纹源，加之整体硬度较高，以致发生脆性断裂。
因而建议严格检查原材
料质量和控制热处理工艺，确保螺栓具有良好的强韧性。
超高强度螺栓对氢比较敏感。
断裂螺栓在电镀后, 除氢处理工艺未达到去氢目的, 其残存
的氢造成螺栓的延迟断裂。
参考文献：
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