螺栓失效形式的分析
螺栓失效形式的分析
对于累计发生的螺栓失效形式，我们分析了一下，简单分为4类：拉伸（伸长变形）、滑牙（脱扣）、咬死、断裂。非正常断裂（不应断裂的位置如头部）暂时不讨论。
我们认为造成失效的某一因素不能简单确定为（人、机、料、法、环）哪一方面引起的，这里没有使用鱼骨图。
根据关联性我们分三类进行分析：
第一类：拉伸（伸长变形）、断裂
第二类：滑牙（脱扣）
第三类：咬死
案例一螺栓失效分析
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)
螺栓失效分析
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。 1.失效定义 一个零件或部件不能履行设计赋予它规定的功能，称该零件或部件失效。它包括以下三内容： a.完全不能工作； b.可以工作，但不能令人满意地完成预期的功能； c.受到严重损伤不能可靠而安全的连续使用，必须拆下来进行修理或更换。应注意把失效与废品区别开来，前者是在使用过程中出现的，后者是在生产制造过程中产生的。另外，失效又分为正常失效和非正常失效，达到设计寿命的为正常失效，反之为非正常失效，后者才是通常失效分析工作的主要对象。 2.失效分析的意义、目的 机械产品设计者的主要任务，是为社会提提供质量好、寿命长、成本低的产品。一种新产品的诞生，开始并不是完美的，多少会存在各种大小不同的问题，这在设计、制造中可能难以发现，往往只有在使用中才能充分暴露。为此，设计、制造者必须针对产品使用中出现的失效进行仔细分析，找出问题的症结，重新改进设计、制造。再投入使用，发现问题，再改进，这个循环过程也许要反复进行多次。因此，失效分析是机械差品的质量由不完善走向完善的必经之路，是机械产品可靠性设计重要的一环。最近一些年来，委托我们进行失效分析的任务越来越多，这是好事，这并不反应产品质量越来越差，而恰恰反应了生产者、客户对产品高质量的追求。 3.失效的来源 造成失效的来源主要有以下方面： ——设计 ——选材 ——材料缺陷 ——制造工艺（冷加工、热加工、表面处理等等） ——贮存、运输（碰撞、锈蚀…） ——装配（如螺栓拧紧力矩…） ——服役条件（环境温度、受力状态、腐蚀环境、相关件的影响等） 4.失效分析的思路、方法 失效分析也有繁、简之分。一些零部件的失效在现场很快能确定失效原因这是简单的。但是对一些大型零部件（如飞机、电站转子…），一些复杂且影响因素很多的零部件的失效分析，则必须组织多专业的科技人员，动用一些专用的检测仪器设备。 进行失效分析时，要做的工作包括（根据分析工作的难易来取舍）： （ 1收集背景资料：失效件的设计图纸、要求；失效件的制造历史；失效件的服役情况、环境、
高强度螺栓失效分析与探讨
水电厂高强度螺栓失效分析与探讨 杨兴乾赵少勇 摘要：高强度螺栓在水电厂运用十分重要,2009年8月俄罗斯萨扬·舒申斯克水电站水轮机顶盖固定螺栓疲劳断裂造成的后果给了我们深刻教训。2013年3月思林发电厂#1机组A修时,我厂接力器基础螺栓进行超声波探伤检测时发现两颗存在缺陷的螺栓，以此为实例，我厂金属监督对螺栓失效进行了深入的分析和探讨，归纳其常见的失效形式，即材质缺陷、过载失效、应力腐蚀、及疲劳性能失效，同时提出相应的监督措施。 关键词：水电厂；螺栓；失效；强度 一、前言 螺栓是水电厂机组的重要部件，在制造过程中由于螺栓本身的材质及控制工艺过程不当，螺栓在长期的承受应力作用下会发生缓慢的、连续的塑性变形，从而使螺栓容易出现裂纹，高强度螺栓指的是强度达8.8级及以上的螺栓，一般用于水电厂和其他重要的螺栓。同时各种结构的螺栓种类繁多，规格也各不相同，但均使用了不少的高强度螺栓。对于我厂而言，高强度螺栓作为机组转动部件的连接部件和密封部件是最为常用的。 2009年8月俄罗斯萨扬·舒申斯克水电站机组长期振动超标引发水轮机顶盖固定螺栓疲劳断裂，导致发生了水电史上空前的特大事故，引起水电界金属同行的高度关注。在此基础上结合我厂的实际情况及此次出现的接力器基础螺栓探伤检测的缺陷，本文以我厂高强螺栓存在缺陷的失效案例，对其常见的缺陷进行归类分析，以此来为同行进行交流和学习。 二、我厂接力器基础螺栓缺陷介绍 我厂#1机组A修期间，在对接力器基础的高强度螺栓进行超声波探伤检测时出现了两颗存在缺陷的螺栓，该螺栓规格型号为：M42x283mm，此螺栓在我厂投产至今已服役五年，在机组的不同检修类别中都要对相应的金属监督部件进行探伤检测，此次发现接力器基础螺栓存在的缺陷引起了我厂金属监督的深刻反思和探讨，同时也为我厂的安全经济稳定运行打了预防针。针对我厂各部件重要螺栓的制造、安装、运行过程中存在的问题，提出关于螺栓的质量监督，确保设备的安全稳定运行。以此来增强我们防范于未然的决心。接力器基础螺栓探伤检测报告详见下表：
螺栓断裂失效原因分析
测试与分析 螺栓断裂失效原因分析 华南理工大学机电系(广州 510641) 高 岩 李 林 许麟康 【摘要】 合金结构钢(相当于我国35CrMo钢)制螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖,在生产线上用气动搬手装配时相当部分发生断裂。失效分析结果表明,机加工时螺纹根部及表面形成微裂纹,以及回火不足,硬度偏高,共同造成了螺栓失效。 关键词:低合金钢 螺栓 微裂纹 F ailure Analysis on the Fracture of Bolts G ao Yan,Li Lin,Xu Linkang (Department of Mechano2Electronic Engineering,S outh China University of Technology,Guangzhou510641)【Abstract】 A batch of bolts with size of M4×1135used to connect cylinder body and cover of air conditioner com pressor were made of imported low alloy steel close to35CrMo in com position1However,a great proportion of the bolts fractured when being assembled us2 ing pneumatic spanner1After failure analysis,it was found that the main reason for the ru pture of bolts was the micro2cracks induced by machining.At the same time,non2enough tempering which resulted in the brittleness of the material also accounted for the fracture1 K ey w ords:low alloy steel,bolt,micro2crack 某标准件公司一批螺栓,规格为M4×1135,材料为合金结构钢,相当于我国的35CrMo钢,冷墩头部,搓制螺纹,热处理工艺为淬火+回火,并进行发兰处理,规定σb>1000MPa, (32～38)HRC。螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖,但在生产线上用气动搬手装配时相当部分螺栓在与螺栓交截的第二、第三螺纹牙根处发生断裂。我们对该批螺栓的断裂原因进行了分析。 1 金相观察及硬度分析 在一批断裂螺栓中随机选取2个断裂螺栓头,将其沿轴向剖开,制备轴向剖面的金相试样,抛光状态(未侵蚀)下可见在螺纹尖端和根部有明显裂纹存在(图略);这些微裂纹由于高度的应力集中,在外力作用下极容易发生失稳扩展,从而导致螺栓断裂。 将上述抛光态试样用3%硝酸酒精溶液侵蚀后在显微镜下观察,发现其组织形态都很相似,为保持原马氏体位向的回火索氏体,见图1所示。35CrMo钢用作螺栓时,应有较好的综合力学性能,其组织应以调质状态为佳,即淬火+回火后得到回火索氏体。而本例中螺栓组织状态虽是回火索氏体,但原马氏体位向十分明显,显然会使材料的塑性和韧性受损,脆性增加,材料硬度也会增加。沿螺牙顶端到根部依次打硬度,所得结果见表1,可见硬度范围为(37～41)HRC,偏高于螺栓规定的硬度范围。螺栓硬度偏高的原因主要是回火不足或不充分造成的。 2 扫描电镜观察分析 为弄清螺栓断裂的机理,按断口形貌特征选取了9个样品,将其用物理方法清洗干净后置于扫描电镜下进行观察,发现断口有3种类型:第1类是断口边缘只有一个剪切唇(1号样品),第2类是断口边缘有2个剪切唇(2号样品),第3 高岩:女,35岁,工学硕士,讲师,曾以访问学者身份在葡萄牙焊接质量研究所(ISQ)工作,兼任中国机械工程学会失效分析分会失效分析工程师。主要从事高温合金,金属材料的腐蚀与防护,失效分析及工业设备寿命评估等方面的工作。已在国内外学术刊物上发表论文10余篇。收稿日期:1997年8月19 日。 图1 螺栓基体组织 ×500 表1 螺栓的硬度HRC 选点12345 试样14137393937 试样24039.5413937 类是断口边缘有3个剪切唇(3号样品),且以第3类断口数量居多。图2是2号样品的宏观断口形貌。这些断口边缘除剪切唇处或凸起或凹进以外,其余边缘处都较平滑,这与一般断裂由心部起源,最后断裂边缘处为杯口状剪切唇的断口形貌特征显然不同,而且,从断口的放射辉纹的走向看,断裂的起源都在断口的边缘即螺纹的根部上,而不是在螺栓的心部。对3类断口分别在扫描电镜下进行了详细的观察,图3a～3d 为2号样品的微观形貌。a是始断区,从右侧的螺纹面上可见明显发兰处理后的表面氧化膜,在螺纹面与断口的交界处(即螺纹根部)可见二次裂纹和摩擦痕存在;将a放大至b,可见摩擦痕底下是氧化物,而摩擦痕明显位于断口一侧,由此可以推断:此摩擦痕处在断裂前就已经有裂纹存在,裂纹为搓制螺纹时所产生,在随后的发兰处理过程中此裂纹内部也进行了发兰处理,形成了氧化膜,其形态与螺旋表面的发兰膜相 43《金属热处理》1998年第2期
紧固件断裂失效类型及原因分析
紧固件断裂失效类型及原因分析 前言 机器或钢结构件是由许多个零件和部件组成，这些零件和部件绝大部分是通过螺纹紧固件连接在一起的。一旦紧固失效将造成机器失灵，严重者甚至出现人员伤亡事故。由于紧固失效的常见性和潜在的严重性，所以我们应认真仔细地分析并找出紧固失效的原因，采取纠正措施，以杜绝紧固失效的发生。 紧固失效有两种，一种是螺栓断裂，被紧固零件瞬间分离，这种失效往往会造成严重的后果；还有一种是螺纹副松动和螺栓或螺母滑牙，被紧固零件出现一定范围的相互位移，造成机器部分功能失常。人们发现，及时采取措施可以避免事故的发生。如因未发现任其继续发展，螺栓和螺母终将分离，同样会引发重大安全事故。紧固失效后直观现象是螺栓断裂或螺母与螺栓分离，因此人们一般认为螺栓断裂是螺栓质量有问题，螺母松动是螺母质量不好。大家往往忽略了设计和安装中的问题。 一、剪切断裂 剪切断裂出现在螺栓只受预紧力的连接中（见图1）。剪切断口出现在螺栓杆部，位于两个被紧固零件的结合面处（见图1），断口有小面积的平整光亮剪切面。出现剪切断裂有下列原因：
图1 图2 1、设计原因 ⑴被紧固零件的结合面间摩擦系数太小或螺栓规格不够大造成预紧力F＇不够，即： fF＇＜F ( f-结合面间的摩擦系数 )此时结合面间摩擦力小于横向工作载荷F，被紧固零件出现相对滑移，螺栓承受孔壁的挤压，当挤压力足够大时螺栓被剪切断。在运动部件上因冲击力更大，所以出现的可能性也更大。为了避免这种现象的发生，在设计上可以采用减载件和台阶来承受横向载荷，使螺栓仅起纯连接作用（见图2）。 ⑵在振动工作环境下工作零件的紧固，未采用具有防松功能的紧固件。在工作一段时间后，紧固件螺纹副出现松动，螺栓夹紧力（预紧力F＇）下降，此时也将发生上述同样的结果。为了避免因松动而造成紧固失效，设计时应采用具有防松功能的紧固件，如美国施必牢防松螺母、有效力矩螺母。 2、装配原因 装配时预紧扭矩过小，造成预紧力不够，即F＇小，出现上述同样的结果。螺纹紧固件安装时的紧固力矩在钢结构设计、施工和发动机装配上作为一个重要的工艺指标被严格执行。而在其它行业就常被设计和施工单位疏忽，或是根本就无此概念。笔者在实际工作中常见到螺纹连接失效的实例，究其原因，实际上许多都是因安装扭矩不合适而造成的松脱和螺栓拉断。 螺栓和螺母组成的螺纹副在紧固时，紧固力是通过旋转螺母或螺栓（通常是螺母）而获得的，紧固力与旋转螺母所用的扭矩（安装扭矩）成正比，为了保证达到设计所需
20MnTiB钢螺栓断裂失效分析
20MnTiB钢螺栓断裂失效分析 来源：作者：时间：2007-11-10 点击：29 20MnTiB钢螺栓断裂失效分析 王弘,高庆,戴振羽 (西南交通大学应用力学与工程系,成都610031) 摘要:应用扫描电子显微镜、光学显微镜、显微硬度仪和电子探针X射线显微分析仪, 对发射架20MnTiB高强度螺栓断裂件的金相组织、显微硬度、断口微观形貌和合金元素分布状态进行了分析。结果表明,断裂螺栓金相组织正常,力学性能符合技术要求;螺栓断裂失效 是由于在螺栓根部存在因加工不当产生的初始裂纹,在初始裂纹尖端的应力集中和露天使用 环境中水介质的共同作用下,螺栓发生应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂的方式是阳极溶解型。 关键词:20MnTiB;螺栓;断裂;应力腐蚀;失效分析 1 概述 20MnTiB钢高强度螺栓用于航天发射塔架斜支梁、悬臂梁及主梁联结板的连接。在进行 服役过程中的例行检验时,发现有少量连接螺栓断裂的现象。虽然发生断裂的螺栓数量仅占 总服役螺栓的万分之一,但由于对塔架的安全性要求极高,使用单位对此极为重视,希望确定 螺栓断裂的原因和现役螺栓的可靠性。本文对所提供的断裂螺栓的断口、显微组织、显微硬度和微区成分进行了分析,并对断裂螺栓和同批服役的未断裂螺栓螺纹根部缺陷进行了对比 观察。 2 螺栓技术条件 委托单位提供了一根断裂螺栓残骸,螺栓型号为M22(GB1228-1984),螺栓材料为20MnTiB 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:C0.17%～ 0.24%,Si0.17%～0.37%,Mn1.30%～1.60%,Ti0.04%～0.1%,P<0.035%,S<0.035%,B0.0005%～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℃油淬,380～400℃中温回火,组织为回火屈氏体[1]。每批成品均抽样作静拉伸实验,力学性能达到GB1231-1984标准中10.9S的螺栓性能等级要求,σb为1040～ 1240MPa,σs≥940MPa,δ5≥10%,ψ≥42%,A k≥58.8N·m,维氏硬度为312～367HV30,洛氏 硬度为33～39HRC。并要求全样做超声波无损探伤检验。 螺栓在安装时使用扭力板手预紧,安装预紧扭矩为784N·m。 3 断裂螺栓失效分析 3.1 断口宏观形貌
20MnTiB螺栓失效分析
20MnTiB螺栓失效分析 1 概述 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钢结构工程安装的主要手段。20MnTiB钢高强度螺栓用于航天发射塔架斜支梁、悬臂梁及主梁联结板的连接。在进行服役过程中，发现有少量连接螺栓断裂的现象。本文通过断裂螺栓的断口、显微组织、显微硬度和微区成分进行了分析。查找螺栓失效原因，制定改进措施，以防止同类失效再度发生。 2 螺栓的材料及技术条件 螺栓型号为M22(GB1228-1984)，螺栓材料为20MnTiB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。其化学成分如表1 表1 螺栓化学成分（W B） C Mn Si P S Cu Cr TI B 样品0.22 1.38 0.99 0.006 0.023 0.15 0.07 0.07 0.0018 该批螺栓所用钢材化学成分符合标准要求，P、S、Cu等残余元素也控制在合理范围之内。加工螺栓用毛坯为热轧圆钢。制造工艺流程如下： 20MnTiB圆钢(盘条)酸洗拉拔冷镦成型搓丝热处理发黑包装入库 其热处理工艺为880℃油淬，380～400℃中温回火，组织为回火屈氏体。每批成品均抽样作静拉伸实验，力学性能达到GB1231-1984标准中10.9S的螺栓性能等级要求，σb为1040～1240MPa，σs≥940MPa，δ5≥10%，ψ≥42%，A k≥58.8N·m，维氏硬度为312～367HV30，洛氏硬度为33～39HRC。 3断裂螺栓失效分析 3.1断口宏观形貌分析 宏观下，断裂螺栓断口具有脆性特征，如图1。断口面位于螺栓的第五个螺纹处。断口可分为三个区域：裂纹源区、裂纹扩展区和最终瞬断区。未观察到疲劳断裂特征。裂纹源区位于螺纹根部,其放大形貌，如图2。在裂纹源区可观察到一扁长形状的原始裂纹，长约 5.5mm，深约0.8mm，在其旁有一半月形的锈蚀区。在裂纹扩展区可见从裂纹源区始发的放射花样状撕裂棱线，断口面与螺栓轴线方向约成15°的倾斜。最终瞬断区是由于裂纹扩展使螺栓有效截面不断减小而
螺栓早期失效原因分析与防范
螺栓早期失效原因分析与防范 螺栓连接是机械零部件之间最广泛的联接方式之一，它广泛应用于工程机械、汽车、船舶、航天、化工、水利等各个领域，也是用量最大的标准件。它的失效小则影响机器设备的使用功能，大则造成安全事故。 影响螺栓失效的因素有服役载荷、环境温度、环境介质，以及螺栓的本身质量性能；本文仅就螺栓本身质量造成早期失效的原因进行分析。 一、早期失效原因 造成螺栓早期断裂原因主要有4个，它们往往又纠缠在一起，从而加剧进一步恶化螺栓性能，使得螺栓失效。 1、材料缺陷： 材料表面皮下气孔是钢锭或钢坯的常见缺陷之一，在材料轧制和冷拔过程中表面皮下气孔被拉长，形成了表面微小裂纹（称为发纹），在螺栓制造过程中（冷镦、热处理）发生开裂造成废品，也可能在螺栓服役中发生断裂，造成失效。 皮下气孔低倍氢致裂纹断口扫描电镜
2、氢致裂纹： 也称延迟断裂，也是造成螺栓失效原因之一，螺栓制造过程中，需要热处理、酸洗和电镀，热处理介质中的氢、酸洗电镀液里的氢，扩散到螺栓金属材料中，富集在材料显微缺陷处，造成了显微缺陷处应力集中，增加材料的脆性，在外部应力作用下螺栓发生断裂。 3、热处理： 热处理不当也是螺栓失效原因之一，淬火过程容易产生微裂纹，微裂纹就成为应力集中点，在高级别的螺栓中，屈强比高，塑性储备不足，微裂纹扩展快，造成了早期失效。 有些企业为了节约成本，省掉了消除应力回火工序，使得螺栓材料残余内应力（冷镦、淬火造成的）过大，往往在使用过程中突然断裂，断在螺栓头与螺杆的连接处。 淬火裂纹颈部圆角
4、成型缺陷 螺栓成型过程：螺栓头与螺杆连接处（螺颈）圆角成形不良、螺纹根部加工粗糙度精度低存在刀痕等，都会造成应力集中同时也是一个微裂纹，容易导致螺栓早期失效。 二、防范措施 采用连铸连轧生产的盘条，是解决材料表面皮下气孔的基本办法；钢坯剥皮处理也是一个办法，不过加工量大，成本增加较多；真空精炼也是减少钢坯表面皮下气孔的有效办法。 解决氢致裂纹大都采用去氢处理工艺，在真空炉中或热油中加热2小时，让材料中的扩展氢逸出，从而消除氢致裂纹。若是由于热处理介质还原性过强造成氢致裂纹，应将介质成分调整到标准范围内。 热处理是一个特殊过程，其工艺参数如加热温度、冷却速度、淬火温度、介质极其温度、回火温度等均要严格控制，尤其是入油温度和冷却速度更要控制好。如需省略热处理某个过程（例如球化退火、去应力回火等），必须进行工艺验证。 螺颈过渡圆角设计应尽可能大，冷镦模具和滚丝模具尺寸与精度要符合要求，冷镦模具和滚丝模具要定期校验，确保其精度。螺栓生产严格执行首件检验，发现问题及时纠正。 三、螺栓成品检验应注意事项 螺栓成品验收包括组织（金相）性能、尺寸精度、表面质量三项指标，