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更重要的零件之一，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。
1 螺纹根部之裂纹(未侵蚀) 20× 图2 螺纹根部组织 400×
4%硝酸酒精溶液侵蚀
1.3 试验与讨论
为判定裂纹的形成原因，另取同批量、同型号但未使用过的连杆螺栓进行纵剖面金相分析，结果在部分螺纹根部也存在裂纹，因此判定此裂纹系滚齿成型时造成的。这与滚轮使用次数过多，滚齿加工能力下降有关，经查该批滚轮已超期服役。
由于螺纹根部存在裂纹，因此在装配拧紧时螺栓表现出较大的脆性，发生脆性断裂，而滚轮超期服役，其滚齿加工能力下降则是失效的主要因素。
2 缸盖螺栓断裂失效分析
某单位生产的强度等级为10.9级的缸盖螺栓，在装配时发生断裂，送样要求分析原因。
2.1 断口分析
两缸盖螺栓(分别编1号和2号)断裂位置均在杆部和头部交接处，装配拧紧时螺栓主要受扭转载荷，此时，主应力与轴线成45°，而切应力则与轴线垂直。从断口看，裂纹开始区与轴线成45°角，表现为扭转时的正断断口，是正应力作用的结果。而瞬断区与轴线垂直，瞬断区面积占总断口面积的绝大部分，说明断裂时应力较大或材料强度不足。
2.2 化学成分和显微组织分析
螺栓材料牌号为40Cr钢，硬度要求32～38HRC，金相组织要求1～3级(JB/T8837-2000)。经检验，1号缸盖螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定，见表1。两螺栓基体组织均为细的回火索氏体，按JB/T8837-2000评定，组织为1级，符合其1～3级之技术条件规定。边缘组织中晶界清晰可见，但其颜色明显比其它部位浅，估计表面存在脱碳层，其中2号螺栓更为明显，见图3。
两螺栓均残留带状组织，带状组织中还有非金属夹杂物，1号螺栓的带状组织见图4，其间的硫化物类夹杂物清晰可见，但均在规定范围之内。
2.3 显微硬度测试
经磁粉探伤，未发现磁痕。经测定，1号螺栓硬度值为34HRC，2号螺栓硬度值为36HRC和37HRC，符合32～38HRC技术条件规定。由于螺栓已经过调质处理，所以仅根据金相组织来判定边缘是否存在脱碳层似乎尚缺证据。为证实边缘是否存在脱碳层，对边缘和部位进行了显微硬度测试，结果见表2。
图3 2号螺栓组织，边缘颜色较浅 65× 图4 1号螺栓的带状组织 130×
4%硝酸酒精溶液浸蚀
表2 螺栓边缘及处显微硬度值
从表中可见，边缘硬度低于硬度，进一步证实了边缘存在脱碳层。边缘碳含量的降低，使侵蚀程度下降，因而颜色较浅且晶界清晰可见。虽然螺栓在调质后对其表面进行了机加工，以去除热加工所产生的脱碳层，但在杆部与头部交接处往往难以用机械加工去除脱碳层，结果在杆和头部的交接处保留了脱碳层。
2.4 分析与讨论
由于应力位于螺栓边缘，而边缘存在脱碳，降低了边缘的强度。虽然螺栓允许存在一定量的脱碳层，但脱碳层的存在对螺栓服役总是不利的。由于裂纹源于脱碳处，那么脱碳则成为该螺栓断裂失效的主要因素之一。
3 主轴承盖螺栓断裂失效分析
发动机主轴承盖螺栓，在装配拧紧时断裂失效。螺栓材料牌号为40Cr钢，硬度要求30～35HRC，金相组织要求1～3级(JB/T8837-2000)。
3.1 理化分析
观察三支断裂螺栓的断口，均存在回旋状塑性变形痕迹，为扭转断口，是以扭转为主的扭转和拉伸之混合断口。裂纹起源于螺纹齿根处，断口处均有明显的缩颈。而缩颈的产生，表明试样的载荷达到值(抗拉强度)后，在试样的某一部位截面开始急剧缩小，随后变形主要集中于缩颈附近。所以缩颈的存在，一方面说明螺栓有良好的塑性和韧性，另一方面说明服役载荷很大，已超过试样的抗拉强度。
主轴承盖螺栓化学成分分析结果见表1，符合GB/T3077-1988之规定。
杆部硬度值为32HRC和33HRC，符合30～35HRC技术条件规定。金相组织为细而均匀的回火索氏体，按JB/T8837-2000，组织级别为1级，符合其1～3级之技术条件规定。经磁粉探伤未发现磁痕。
将三支断裂螺栓纵向剖开进行金相观察，螺纹表面无脱碳，但螺纹齿根处均存在微裂纹，长约0.05～0.10mm，裂纹均存在于距断口3～4个螺距范围的缩颈区，缩颈区以外的齿根处则无裂纹。
3.2 拉伸试验
取与断裂螺栓同批供货的两支未使用的螺栓进行拉伸试验，其抗拉强度分别为1103MPa和1126MPa，符合10.9级的强度等级要求。将试样纵向剖开进行金相分析，在距断口3～5个螺距范围内的缩颈区，其齿根处存在裂纹，而缩颈区以外的齿根处则无裂纹，可见该裂纹是拉伸时形成的。
取三支未使用的同批螺栓，也取其纵剖面进行金相分析，在螺纹齿根处均未发现裂纹。
3.3 分析与讨论
断裂试样的硬度和强度均符合螺栓10.9级的强度等级要求，金相组织也正常，所以螺栓材质正常。从拉伸试验和未使用的同批螺栓的金相分析结果看，缩颈不是由于材料强度不足而产生的。由于裂纹均产生于断裂试样的缩颈处，缩颈以外的螺纹处无裂纹，则该裂纹是螺栓拧紧时载荷过大(超过材料的抗拉强度)所致。经查，断裂螺栓的装配扭矩达146N·m，超过了120N·m的极限规定。
综上所述，螺栓断裂失效的原因是螺栓服役载荷(扭矩)过大，已超过其抗拉强度。
4 1110连杆螺栓断裂失效分析
螺栓于装配时断裂，材料为35CrMo钢，强度等级10.9级，硬度要求30～35HRC，金相组织要求1～3级(JB/T8837-2000)。
经检验，1110连杆螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定，见表1。硬度为35HRC，符合32～38HRC技术条件规定。经磁粉探伤，在螺栓表面发现细小裂纹。
将试样纵向剖开(0.5R处)，显微镜下观察发现螺栓齿根部无脱碳，显微组织为细而均匀的回火索氏体，按JB/T8837-2000，组织级别为1级，符合其1～3级之技术条件规定。但是，在纵剖面上有许多沿晶裂纹，裂纹两侧无脱碳。绝大多数裂纹位于试样区域，断口处的数条裂纹也位于区域，估计螺栓存在裂纹。
对螺栓横向间隔取样进行金相分析，在数个磨面上均有裂纹，且裂纹存在于螺栓见图5。由于裂纹位于螺栓的，较为封闭，虽经淬火、回火，但裂纹两侧无贫碳或脱碳。
图5 试样横截面裂纹形貌(未蚀，负片) 3×
由于试样的回火索氏体组织细小，裂纹趋向很“柔”，且裂纹源于试样，可确定裂纹的产生与调质处理无关。裂纹周围未发现夹杂类缺陷，裂纹存在位置和趋向确与“轴向晶间裂纹”类同，故该裂纹属原材料缺陷。
5 结论
(1)所分析的螺栓的成分、牌号均符合GB/T3077-1988之规定，硬度、金相组织也符合技术条件要求，说明热处理工艺及其操作合理。
(2)螺栓失效原因:①195连杆螺栓断裂的直接原因是滚轮的滚齿能力下降导致产生裂纹，而滚轮超期服役则是关健因素；②缸盖螺栓断裂原因是其杆部和头部交接处的贫脱碳所致；③主轴承盖螺栓的断裂则是拧紧时扭矩过大造成；④1110连杆螺栓断裂是原材料存在裂纹所致。
(3)上述螺栓失效，很大程度上是源于质量管理的疏忽，如滚轮的超期服役、装配扭矩过大，理化检验的欠认真、细致等。
(4)连杆螺栓的金相检验按JB/T8837-2000进行，其它高强度螺栓也可参照进行。虽然JB/T8837-2000对脱碳层未作规定，但在螺栓的技术条件中对脱碳层有明确规定。因此，可根据要求在试样纵面上进行脱碳检验，方法有金相法和显微硬度法。如果195连杆螺栓按要求进行脱碳层的检验，其裂纹和缸盖螺栓的贫、脱碳则可检验出来。
