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
最终发生的瞬间断裂区，断口形貌呈闪烁颗粒状，并存在大的撕裂棱线。断面平直，垂直于轴线方向。
图1 断裂螺栓断口宏观形貌图2 裂纹源区宏观形貌
3.2 断口微观形貌
用Philip-XL30扫描电子显微镜对螺栓断口进行微观形貌观察。结果表明，裂纹源区的扁长形原始裂纹的断面平整，如见图3。其是在螺纹滚压加工或在随后的热处理过程中产生的加工裂纹。
裂纹扩展区微观形貌具有典型的冰糖状沿晶断裂特征，如见图4，可见晶界上的二次裂纹和残存腐蚀物。高倍形貌放大像显示断面残存腐蚀物为球粒状,晶界面上有腐蚀坑，如图5。最终瞬断区断口微观形貌为穿晶断裂特征，如图6。
图3 初始裂纹SEM像图4 裂纹扩展区沿晶断裂微观形貌
图5 断面腐蚀物图6 瞬断区穿晶断裂微观形貌
3.3 X射线微区元素定性分析
用电子探针X射线显微分析(EPMA)波长色散谱仪，对螺栓断口的残存腐蚀产物和断面无腐蚀物区域进行了微区元素定性分析。结果表明，残存腐蚀产物的组成元素主要是铁和氧，以及微量的锰和钛,因此残存腐蚀产物是一种铁的氧化物;而后者组成以铁为主，其余微量元素有锰、钛、磷和砷。对断裂螺栓作电子探针面扫描分析，合金元素锰、钛和磷分布均匀,不存在晶界偏析的迹象。在断裂螺栓上沿纵向截取金相试样。光学显微镜下观察，其显微组织为回火托氏体，但仍保持低碳板条马氏体趋向，如见图7。符合技术条件要求，低倍组织夹杂物、晶粒度均未发现异常。
图7 断裂螺栓金相组织
3.4 硬度分析
断裂螺栓宏观硬度检测结果为33～34HRC，符合标准规定的33～39HRC的要求。用显微硬度仪对螺栓横截面从螺纹表面到螺栓心部测其硬度，结果硬度在345～358HV0.05之间。在距表面51μm处,显微硬度偏低，在285～265HV0.05之间，表明螺栓表面有轻微的脱碳现象。
3.5 螺纹根部微观缺陷观察
为确定断裂初始裂纹的形成原因，沿纵向截取试样,用扫描电镜对未开裂部位的螺纹根部进行微观缺陷观察，共观察9个螺纹根部区，在两处螺纹根部区观察到初始缺陷，包括加工时形成的封闭接缝缺陷和滚丝时压入的氧化物缺陷。3.6 未断裂螺栓的检验
为了确定服役中未断裂螺栓的安全性，分析判断现役螺栓是否存在因加工不当产生的初始缺陷，在断裂螺栓附近拆卸下三只未断裂螺栓进行磁粉及超声波无损检测,结果均未探测到裂纹。沿未断裂螺栓纵向截取金相试样,观察结果显示，该显微组织与断裂螺栓相同，为回火托氏体。对未断裂螺栓的5、6处螺纹根部区域进行扫描电镜观察，在一些螺纹根部有初始缺陷，但缺陷尺度均很小，约在
10～20μm范围内。可见未断裂螺栓的材质大大优于断裂螺栓。材质中一些尺度很小的微裂纹和缺陷是难免的，这些微裂纹和缺陷对螺栓的使用安全应不存在明显的影响。
4 实验结果与讨论
（1）综合以上分析可以看出，断裂螺栓金相组织正常，宏观和显微硬度都符合技术要求，表明热处理工艺正常。
（2）由于裂纹扩展区断口微观形貌为沿晶断裂，用X射线面扫描分析又未观察到合金元素锰、钛和磷在奥氏体晶界的偏聚，可排除回火脆性断裂的可能。根据本文所述螺栓的服役状态，螺栓长期处于无松弛的预应力的状态，且使用环境为露天条件，长期受潮湿大气和雨水的腐蚀，同时在螺栓断裂源区观察到由于加工不当产生的初始裂纹。
（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。由于受测试性能的限制，电子探针仪仅能分析原子序数大于8的元素，硼的原子序数为5，故未能检测到硼的分布状况。根据已有的研究报告，钢中硼的作用是增加钢的淬透。同时硼在奥氏体不锈钢晶界偏聚。但对20MnTiB钢,硼是否在晶界偏聚，以及硼对沿晶开裂的影响需作进一步的研究。（4）在断裂螺栓未断裂面的另两处螺纹根部区域也观察到了缺陷，根据形态分析，这些缺陷不是在螺栓服役中产生，而是在螺栓加工过程中产生的原始缺陷。（5）根据对未断裂螺栓的超声波无损探伤和螺纹根部缺陷分析观察，结合本结构中的十万只螺栓在长期使用后仅十几只螺栓断裂的结果来看，加工不当产生的初始缺陷是导致螺栓断裂的主要原因。
5 结论
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。
6 参考文献
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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)
超高强度螺栓断裂失效分析
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：
高强度螺栓断裂失效分析
高强度螺栓断裂失效分析 韩志良 (常州机电职业技术学院机械系，常州213012) 马红卫，丁燕君 (常柴股份有限公司理化室，常州213002) 摘要：针对装配现场发生的几起高强度螺栓断裂失效事故，采用金相分析、化学成分分析和力学性能测试等方法进行检测。分析结果认为螺栓失效的原因有:(1)螺纹成形时产生裂纹，螺栓因之而脆断；(2)杆部与头部交接处表面脱碳、使局部强度降低而断裂；(3)装配时扭矩过大，螺栓明显缩颈而断裂；(4)原材料中心存在裂纹。 关键词：螺栓；裂纹；扭转；脱碳 高强度螺栓是发动机紧固件中最重要的零件之一，如连杆螺栓、缸盖螺栓、主轴承盖螺栓，要求强度等级为10.9级，有的甚至达12.9级。但在实际使用中，高强度螺栓(简称螺栓)断裂失效也时有发生。笔者就发生在装配过程中的四起高强度螺栓断裂失效逐一进行分析。 1 195连杆螺栓断裂失效分析 195连杆螺栓装配时断裂于螺纹处。从断口上看，断口平直，无缩颈，几乎没有裂纹萌生区，全部为最后瞬断区。零件供应商进行了失效分析，认为装配时连杆螺纹内夹入异物，阻碍了螺纹的拧紧，导致装配扭矩过大而断裂。 1.1 断口分析 由于断口表现出极大的脆性，如果是基于扭紧力矩过大而断裂，断口应表现出良好的塑性，因为拧紧时螺栓主要受扭转应力，而扭转试验的应力状态的柔性系数较大(大于拉伸试验)，材料易于塑性变形，而失效的螺栓并未表现出塑性。另外，断裂源也不在齿根部，而是有所偏离。 1.2 化学成分和显微组织分析 螺栓材料牌号为40Cr钢，强度等级10.9级，硬度要求32～38HRC，金相组织要求1～3级(JB/T8837-2000)。经检验，螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定，见表1。显微组织为细的回火索氏体，按JB/T8837-2000评定为1级，其硬度值为34HRC和35HRC，硬度和显微组织均符合技术条件规定。经磁粉探伤未发现磁痕。 将螺栓从杆部与头部交接处纵向剖开，经金相制样、观察，结果在大部分螺纹的根部均有裂纹，即在断口附近和远离断口的螺纹处均存在裂纹，裂纹位置偏离“真正的”齿根部，裂纹的两侧无贫碳和脱碳，说明裂纹的形成与调质处理无关，见图1和图2。由于裂纹细小且位于螺纹根部，常规磁粉探伤未发现磁痕。
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、
汽车悬置螺栓断裂失效分析
汽车悬置螺栓断裂失效分析 发表时间：2018-05-23T17:22:09.973Z 来源：《基层建设》2018年第6期作者：姚瑶 [导读] 摘要：本文分析了发动机安装支架和发动机支架的疲劳断裂问题。 江淮汽车集团股份有限公司乘用车制造公司安徽合肥 230601 摘要：本文分析了发动机安装支架和发动机支架的疲劳断裂问题。对螺栓的宏观、扫描电镜、化学成分和金相分析进行了分析，并对同一批次螺栓进行了力学性能试验。在各种物理化学试验的基础上，结合显微断裂和断裂机理，分析了螺栓的断裂原因。 关键词：汽车；悬置螺栓；失效分析 1前言 在开发多车发动机支架的过程中，将车辆用于发动机锻造钢悬架。在常规车辆的道路试验中，连接螺栓和螺栓断裂。本文从螺栓、螺柱断裂类型、螺栓连接强度计算和结构设计等方面分析了连接失效分析，并提出了改进建议。 2分析的内容 2.1分析样本 分析样品是一个完整的螺栓失效螺栓和失效螺栓。完整的螺栓是全新未使用的。 2.2分析内容 进行了断裂分析、化学成分分析、硬度测试、金相分析、扫描电镜和能谱测试。对完整的螺栓进行了化学成分分析、硬度测试、拉伸试验和金相分析。 2.2.1宏观断口分析。 断裂的连杆被分成两部分：螺纹部分的断裂部分留在连杆的深孔中，螺栓的另一部分暴露在外。打开螺丝孔后，将断头取出，螺孔内螺纹有外拉的痕迹。通过与相同模型的完全螺栓比较，发现螺栓的断裂位置位于螺纹的第一齿位置，螺纹部分没有明显的塑性变形。由于暴露螺钉的二次损伤，存在明显的多重冲击痕迹，杆体严重变形。虽然断裂具有一定的疲劳特性，但断裂边缘明显受到破坏。因此，暴露的螺杆部分没有断裂分析值。 2.2.2化学成分分析 样品采用螺栓，化学成分符合设计人员的技术要求。 2.2.3光学金相分析。 对失败螺栓基体的金相组织进行分析，组织相对均匀。在螺栓表面附近的组织形态学中未发现明显的脱碳。金相检查未发现异常。 2.2.4硬度分析。 结果表明，断裂螺栓的硬度与设计要求一致。 2.2.5SEM分析 采用扫描电子显微镜观察螺栓孔内的断裂情况，发现裂纹源位于断裂边缘。源区域面积较小，瞬时区域面积约为1/2。通过安装位置对准，线的螺纹有向外拉的位置。源区域的部分增大，疲劳阶段从断裂边缘开始，有许多与裂纹扩展方向垂直的小的疲劳条纹。 在源区没有明显的夹杂物和不均匀的冶金缺陷。随着裂纹扩展，疲劳条纹变得越来越长。在裂缝快速膨胀区，有一个明显的酒窝形状。扫描电镜（sem）在螺纹上观察，发现裂纹与断裂源部分平行。横截面的外表面有许多微裂纹。螺纹表面没有明显的加工缺陷。螺杆断裂为多个断口源，断裂源集中在截面的同一侧，锚杆和瞬态断裂带占整个断裂的比例（近1/2），这是典型的大应力低周疲劳断裂特征。通过对螺纹的观察，发现加工缺陷引起的应力集中，除了疲劳裂纹外，没有发现。因此，扫描电子显微镜（sem）的结果表明，连杆的断裂是在高单向弯曲循环加载作用下形成的。 3基于VDI2230方法的连接计算分析。 机械设计手册主要是指国家标准的螺栓连接计算方法。与VDI2230的计算方法相比，计算方法略粗糙，前考虑不全面。本文采用VD12230方法计算悬吊支架的连接，从表面处理、摩擦系数、结构尺寸、预紧力矩等方面分析了螺栓的连接强度。通过道路光谱采集，获得了悬吊支架的载荷和横向载荷，并得到了悬架的横向载荷。通过实验得到了连接结构的摩擦系数。 表一：摩擦系数 （1）使用VDI2230方法（MDESIGN分析软件）的帮助下，螺栓疲劳应力幅值是80mpa，电泳锻钢悬置支架的抗滑安全系数引擎联接螺栓底部SG=1.5，小于VDI2230SG1.8或更高的设计要求、安全系数；锻钢支架山经过电泳处理（相对结表面之间的摩擦系数是0.18），，通过嵌入预应力损失预紧的损失（VDI2230嵌入式）。因为螺栓利用率是72.3%，可以满足连接的安全系数增加扭矩。然而，螺栓的应力幅值很小，当扭矩接近屈服时，螺栓的应力幅值仍然高达71MPa。 （2）如果连接支撑面不进行电泳（螺栓的摩擦系数为0.23），则螺栓连接防滑的安全系数为SG=1.92，满足连接安全系数的要求；螺栓应力幅值为62MPa，不满足螺栓疲劳应力的要求。 （3）采用电导支架，然后螺栓扭矩增加，使螺栓计算利用率达到95%，螺栓疲劳应力幅值仍高达56mpa，仍然不能解决螺栓疲劳应力幅值过大的问题。结果表明，单纯增加预应力不能解决锚杆的疲劳破坏，表明锚杆应力幅值过大，导致螺栓疲劳断裂。 （4）通过增加基础凸集的3毫米直径，增加的面积的利用率95%结表面和螺栓，螺栓应力幅值明显降低，增加了底座直径的螺栓疲劳失效后问题解决了道路试验。指出零件结构的尺寸设计对螺栓连接的疲劳性能有重要影响，是提高螺栓连接在允许结构下的疲劳性能的一种方法。 （5）当然，在这种连接结构中，在弯矩作用下，3个紧固点分布，在弯矩作用下容易发生接触面积，在螺栓应力打开后会急剧增加，最终导致疲劳失效。如果你考虑在三角形分布中变化的扣分，可以有效地减少弯曲力，在三个螺栓上的载荷分布可以更均匀，防止单个螺栓发生早期疲劳断裂失效。然而，在发动机室空间中，很难进行有足够空间的三角形连接布置。
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
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。
螺杆断裂失效分析
工作单号：30482435
南 京 工 业 大 学 化 工 机 械 研 究 所 中国石化总公司南京设备失效分析及预防研究中心
Institute of Chemical Mechanical Engineering Nanjing University of Technology Nanjing Center of failure Assessment & Prevention on Equipment SINOPEC
分
析
报
告
课 题 名 称 ： 螺杆断裂失效分析
啊
课 题 来 源 ： 扬子石化－巴斯夫有限责任公司 报 告 题 目 ： 螺杆断裂失效分析报告啊 报 告 时 间 ： 2 0 11 年 11 月 1 5 日
地 址 ： 江 苏 南 京 新 模 范 马 路 5 号 ， 2 1 00 0 9 Tel :(0 2 5 )8 3 4 3 0 3 6 9 E -ma i l : ro g e r6 1 9 @ s o h u . co m
南 京 工 业 大 学 化 工 机 械 研 究 所 中国石化总公司南京设备失效分析及预防研究中心
Institute of Chemical Mechanical Engineering Nanjing University of Technology Nanjing Center of failure Assessment & Prevention on Equipment SINOPEC
分析项目 委托单位 试验时间 分析员
螺杆断裂失效分析
扬－巴公司 2011 年 11 月 15 日 化工机械研究所 刘桐生 张爱学
1．图 1 为扬巴公司委托失效分析的来样（螺栓断口）照片。宏观断口显示： 启裂是由断口一侧的边缘启裂，向另一侧发展的；断裂在宏观上是完全脆 性的，且断裂面粗糙，似沿晶发展断裂； 2．图 2 是螺栓材质的显微金相照片。可见螺栓材料的晶界已出现敏化现象， 敏化的奥氏体不锈钢在电介质的作用下即可发生沿晶腐蚀开裂； 3．图 3 是断口的扫描电镜照片。 其低倍及高倍形貌均显示螺栓的断裂为典型 的沿晶开裂； 4．断口表面腐蚀产物的 X－RAY 能谱分析结果显示，参与腐蚀的介质有： 硫和氯；参见图 4。事实上敏化的奥氏体不锈钢无需特殊的腐蚀介质，只 要有电介质就有沿晶腐蚀的风险。 结 论： ⒈来样螺栓断口为沿晶腐蚀开裂； ⒉材料敏化是螺栓发生沿晶腐蚀开裂的根本原因。 建 议 耐蚀不锈钢应作固溶处理和预钝化处理。 敏化状态的奥氏体不锈钢存 在沿晶腐蚀开裂的风险，使用前应注意螺栓制造质量的控制。
发送单位： 发送单位： 负责人（签字） 负责人（签字）
扬－巴公司 刘桐生 日 期 2011/11/15
邮编：210009，电话： 025） （025 江苏 南京 新模范马路 5 号，邮编：210009，电话： 025）83430369 （
汽车悬置螺栓断裂失效分析
汽车悬置螺栓断裂失效分析 摘要：本文分析了发动机安装支架和发动机支架的疲劳断裂问题。对螺栓的宏观、扫描电镜、化学成分和金相分析进行了分析，并对同一批次螺栓进行了力学 性能试验。在各种物理化学试验的基础上，结合显微断裂和断裂机理，分析了螺 栓的断裂原因。 关键词：汽车；悬置螺栓；失效分析 1前言 在开发多车发动机支架的过程中，将车辆用于发动机锻造钢悬架。在常规车 辆的道路试验中，连接螺栓和螺栓断裂。本文从螺栓、螺柱断裂类型、螺栓连接 强度计算和结构设计等方面分析了连接失效分析，并提出了改进建议。 2分析的内容 2.1分析样本 分析样品是一个完整的螺栓失效螺栓和失效螺栓。完整的螺栓是全新未使用的。 2.2分析内容 进行了断裂分析、化学成分分析、硬度测试、金相分析、扫描电镜和能谱测试。对完整的螺栓进行了化学成分分析、硬度测试、拉伸试验和金相分析。 2.2.1宏观断口分析。 断裂的连杆被分成两部分：螺纹部分的断裂部分留在连杆的深孔中，螺栓的 另一部分暴露在外。打开螺丝孔后，将断头取出，螺孔内螺纹有外拉的痕迹。通 过与相同模型的完全螺栓比较，发现螺栓的断裂位置位于螺纹的第一齿位置，螺 纹部分没有明显的塑性变形。由于暴露螺钉的二次损伤，存在明显的多重冲击痕迹，杆体严重变形。虽然断裂具有一定的疲劳特性，但断裂边缘明显受到破坏。 因此，暴露的螺杆部分没有断裂分析值。 2.2.2化学成分分析 样品采用螺栓，化学成分符合设计人员的技术要求。 2.2.3光学金相分析。 对失败螺栓基体的金相组织进行分析，组织相对均匀。在螺栓表面附近的组 织形态学中未发现明显的脱碳。金相检查未发现异常。 2.2.4硬度分析。 结果表明，断裂螺栓的硬度与设计要求一致。 2.2.5SEM分析 采用扫描电子显微镜观察螺栓孔内的断裂情况，发现裂纹源位于断裂边缘。 源区域面积较小，瞬时区域面积约为1/2。通过安装位置对准，线的螺纹有向外 拉的位置。源区域的部分增大，疲劳阶段从断裂边缘开始，有许多与裂纹扩展方 向垂直的小的疲劳条纹。 在源区没有明显的夹杂物和不均匀的冶金缺陷。随着裂纹扩展，疲劳条纹变 得越来越长。在裂缝快速膨胀区，有一个明显的酒窝形状。扫描电镜（sem）在 螺纹上观察，发现裂纹与断裂源部分平行。横截面的外表面有许多微裂纹。螺纹 表面没有明显的加工缺陷。螺杆断裂为多个断口源，断裂源集中在截面的同一侧，锚杆和瞬态断裂带占整个断裂的比例（近1/2），这是典型的大应力低周疲劳断 裂特征。通过对螺纹的观察，发现加工缺陷引起的应力集中，除了疲劳裂纹外， 没有发现。因此，扫描电子显微镜（sem）的结果表明，连杆的断裂是在高单向
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
螺栓非正常使用断裂分析
螺栓非正常使用断裂分析 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。本文主要从设计和装配的角度进行螺栓断裂分析。 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
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，