某螺栓断裂原因分析

矫增田

摘 要：某螺栓在装配时发生断裂，从力学和材料角度对该螺栓断裂原因进行了分析。对断裂螺栓进行金相组织观察、化学成分分析、力学性能试验以及断口的宏观和微观形貌观察，经检测理化指标正常，未发现断口组织明显异常，晶界上有其它相析出，Si、Cr等元素促进杂质元素在晶界上偏聚从而降低了晶界的断裂强度和连续性，使得外力作用下发生了宏观无明显塑性变形的“脆性断裂”。

关键词：螺栓;断裂;回火脆性

中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0107-02

1 问题现象

螺栓连接是钢结构连接中比较常见的连接方式，装卸、检修方便，相对于焊接，其连接处不会发生相变，但是作为重要的紧固件，其失效故障发生较多，由此造成的危害也很大[1]。现有某螺栓M16×150 8.8级，材质为35CrMo，表面达克罗处理，在装配紧固时发生断裂，装配要求扭矩160N·m，在拧紧力矩120～130N·m时发生断裂。现分析裂纹原因。

2 宏观和超景深显微系统检验

螺栓断裂发生在距离头部约8mm位置，宏观观察，外观未见明显缺陷和外力损伤现象;断口面上也未见明显缺陷。

断口表面较粗糙，未见明显宏观塑性变形，且是在装配过程中造成的断裂，初步判断为过载脆性断裂，有扭转断裂迹象。正常情况下，断裂不应该发生在该位置。解剖断裂螺栓，分别做化学成分分析、硬度测试和金相分析;取该型号一新螺栓做性能测试。

3 化学成分分析

从断裂螺栓切取试块，进行化学成分分析，化学成分符合GB/T 3098.1-2010[2]要求，具体测试结果如表1所示：

4 力学性能测试

硬度测试和最小拉力载荷测试符合GB/T 3098.1-2010要求，具体测试结果如表2所示：

5 金相分析

过断口将螺栓沿纵向轴向剖开，做金相检验，依据GB/T 10561-2005[3]，夹杂物为D1级，显微组织为回火索氏体，组织均匀，表面无脱碳现象[4]，依据GB/T 6394-2017[5]，晶粒度为6级。

6 电子显微镜断口觀察和能谱分析

将断口置于电镜下微观观察，可见晶界沉淀的分散颗粒为裂纹核所形成的细小韧窝，断裂大部分区域属于沿晶韧性断裂，起裂位置处未见明显缺陷[6]。晶界上韧窝底部有夹杂物;部分晶界上有其它相析出。

用能谱仪对部分区域进行能谱分析，显示晶界上析出物含有较多锰、铬、硅、铝、氧等元素。其中Si最高1.4%，Cr最高5.9%。晶界上有其他相析出，Si、Cr等元素促进杂质元素在晶界上偏聚从而降低了晶界的断裂强度和连续性，使得外力作用下发生了宏观无明显塑性变形的“脆性断裂”——实际微观上是塑性断裂[7]。

7 分析讨论

断裂样品化学成分分析符合要求，力学性能测试符合要求，冲击吸收功较好;常规金相组织分析组织较好;表面无损伤和明显缺陷。与断裂螺栓同批次样品最小拉力载荷测试也符合要求。装配拧紧力矩在规定范围之内就发生断裂，且断裂位置与正常情况下螺栓断裂位置明显不同。电子显微镜断口分析，断裂起源处也未见明显缺陷和异常，断口大部分区域属于沿晶韧性断口，最后断裂部分为扭转韧性断口。能谱分析显示，晶界上有其他相析集，弱化了晶界断裂强度和连续性，从而引起宏观“脆性断裂”。原因可能是由局部区域的成分偏析，回火保温后，冷却速度较低，杂质元素在晶界偏聚造成的造成的第二类回火脆性引起。

参考文献

[1] 万明攀，马瑞.GH4169螺栓断裂失效分析及工艺改进[J].材料热处理技术，2012，41（6）：195-196.

[2] GB/T 3098.1-2010.紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱[S].

[3] GB/T 10561-2005.钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法评定[S].

[4] 任颂赞，叶俭，陈德华.金相分析原理及技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，2012.

[5] GB/T 6394-2017.金属平均晶粒度测定方法评定[S].

[6] 张栋，钟培道，陶春虎，雷祖圣.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2013.

[7] 于永泗，齐民.机械工程材料[M].大连：大连理工大学出版社，2017.