緊固件失效原因分析方法

緊固件失效原因很多，由于設(shè)計(jì)不當(dāng)、材質(zhì)不良、制造和裝配不佳、使用和維護(hù)不當(dāng)以及環(huán)境因素的影響等都會使零件失效。如何找到失效原因，這就必須掌握緊固件的失效分析方法。

緊固件的失效原因是多方面的，有的失效原因在某一過程起主要作用，有的起次要作用，必須在分析中找出起主要作用的原因，重點(diǎn)是對失效零件斷口和使用受力狀態(tài)進(jìn)行分析，找出典型特征和相關(guān)因素，并進(jìn)行驗(yàn)證，證明在失效過程中起作用的主要因素，最后確定造成失效的原因。

緊固件的失效分析方法，歸納起來有如下幾個(gè)方面：

(1) 外觀與斷口分析

通過對失效件的外觀檢查，找出典型失效特征，并初步判斷引起失效的一系列因素和主要因素。通過宏觀和微觀斷口檢查分析，初步判斷屬于何種失效類型。

(2) 失效原因分析

失效分析時(shí)單純從用材、加工、使用之中某一方面尋找原因是不夠的，應(yīng)多方面著手，盡可能詳細(xì)調(diào)查失效件的設(shè)計(jì)、材質(zhì)、制造、使用和裝配受力等情況。

(3) 受力原因分析

緊固件的失效首先考慮所受應(yīng)力情況，從緊固件的設(shè)計(jì)應(yīng)力和實(shí)際裝配應(yīng)力、服役受到的拉伸應(yīng)力、拉-拉交變應(yīng)力等諸方面進(jìn)行分析、特別要分析設(shè)計(jì)使用應(yīng)力和實(shí)際服役應(yīng)力是否一致，裝配預(yù)緊力是否合適和過大，現(xiàn)場裝配是否采用限力搬手及限力搬手是否超標(biāo)，未采用限力搬手裝配時(shí)可模擬裝配情況估計(jì)裝配應(yīng)力并找出裝配應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力的差別。

螺栓裝配后受到拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用，使用過程中可能還會受剪切應(yīng)力、振動、交變應(yīng)力等。失效分析需要對裝配過程和使用過程的安裝力、使用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、拉應(yīng)力、有否交變應(yīng)力等進(jìn)行逐一分析包括應(yīng)力類型、幅值大小和各種應(yīng)力復(fù)合作用作全面分析，找出導(dǎo)致緊固件失效的主導(dǎo)應(yīng)力機(jī)理。

(4) 斷口顯微特征分析

緊固件斷口主要有塑性斷口（包括扭斷斷口）、脆性斷口、疲勞斷口、氫脆斷口，根據(jù)斷口特征進(jìn)行分析。

A. 塑性扭斷斷口分析

考慮設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否偏低，不能滿足裝配和使用應(yīng)力的要求；材料強(qiáng)度級別選用是否合適以及原材料各項(xiàng)性能指標(biāo)是否合格，使緊固件性能指標(biāo)降低。熱處理淬火是否溫度偏低時(shí)間偏短、回火溫度是否過高，造成緊固件性能降低。綜合分析造成在裝配和使用中發(fā)生韌性斷裂和扭轉(zhuǎn)斷裂的主要原因。設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏低、材料選用強(qiáng)度等級偏低、原材料冶金缺陷等級超標(biāo)和表面質(zhì)量不合格、熱處理淬火溫度低時(shí)間短和/或回火溫度過高造成零件強(qiáng)度偏低等等，是最常見的強(qiáng)度偏低不能滿足裝配和使用應(yīng)力的要求、造成塑性過載斷裂或塑性扭轉(zhuǎn)斷裂的幾種失效情況。

B. 脆性斷口分析

考慮淬火溫度是否過高造成組織粗大，回火溫度是否過低造成回火不足，回火操作是否不當(dāng)造成回火脆性，材料是否用錯(cuò)造成的熱處理工藝不當(dāng)，從這些原因中找出引起脆性斷裂的主要原因。在排除有關(guān)設(shè)計(jì)和選材失誤的情況后，淬火溫度過高保溫時(shí)間過長和/或回火操作不當(dāng)（溫度偏低、時(shí)間不足造成組織轉(zhuǎn)變不完全應(yīng)力釋放不徹底即回火不足，回火冷卻不當(dāng)造成回火脆性），等等，是最常見脆性斷裂的原因。

C. 疲勞斷口分析

疲勞斷裂是一種危險(xiǎn)的失效方式，最終斷裂在瞬時(shí)發(fā)生，對于重要構(gòu)件可能造成設(shè)備和人員損失。疲勞斷裂是由裂紋的形核萌生、擴(kuò)展及最終瞬時(shí)斷裂三個(gè)過程組成。因此，對疲勞斷裂螺栓，要根據(jù)斷裂部位和斷口特征進(jìn)行仔細(xì)分析，找出疲勞斷裂的原因。

螺栓頭桿處疲勞斷裂原因可能有：A所列各項(xiàng)原因造成緊固件強(qiáng)度偏低；鐓制頭部流線不好造成頭部強(qiáng)度偏低；螺栓頭下圓角未滾壓使圓角處表面強(qiáng)度偏低。螺栓桿部或螺紋處疲勞斷裂原因可能有：選材強(qiáng)度等級偏低、尺寸超差、螺紋折疊、螺紋上臺等。

D. 氫脆斷口分析

氫脆斷裂是脆性斷裂的一種，特別是某些高合金材料制作的緊固件具有氫脆敏感性。發(fā)生氫脆斷裂原因可能是經(jīng)過電鍍、鍍鋅等等表面處理和/表面處理后未除氫或除氫不徹底。通過微觀斷口特征分析，找出氫脆斷口和一般脆性斷口的區(qū)別，進(jìn)行氫含量檢測，進(jìn)一步判斷氫脆開裂或“氫致遲滯斷裂”。

(5) 綜合原因分析方法

A. 斷裂源分析：裂紋形核源處可能是表面脫碳氧化、雜夾、折疊等材料缺陷；也可能是刀痕、鐓鍛缺陷、損傷、裂紋、折疊等加工缺陷。

B. 根據(jù)緊固件制作流程，分析設(shè)計(jì)、材料選用、加工工藝等各個(gè)工序中引起失效的環(huán)節(jié)。

根據(jù)斷口特征分析，在設(shè)計(jì)、材料、冷熱加工工藝、裝配和服役應(yīng)力大小等因素中找出引起失效的主要原因。

C. 對故障件和同批產(chǎn)品的性能、組織、成分等進(jìn)行對比檢查，確定是產(chǎn)品個(gè)案還是批次產(chǎn)品問題，進(jìn)一步分析主導(dǎo)失效原因。

D. 對緊固件的熱處理工藝包括溫度時(shí)間氣氛等是否達(dá)到工藝要求，如不銹鋼高溫合金緊固件固溶處理或淬火加熱過程中是否采用保護(hù)氣體，保護(hù)氣體的純度流量是否達(dá)到工藝要求，結(jié)構(gòu)鋼緊固件調(diào)質(zhì)組織是否為回火索氏體，顯微組織是否粗大，組織轉(zhuǎn)變是否充分，等等各方面進(jìn)行檢查分析。

緊固件的熱處理加工對于產(chǎn)品質(zhì)量水平有特殊重要意義，因此，失效分析對熱處理工序檢查要深入詳細(xì)，包括：溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)；不銹鋼、高溫合金緊固件固溶處理或淬火加熱過程的保護(hù)氣氛純度、流量等工藝參數(shù)；結(jié)構(gòu)鋼緊固件回火溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)。考察熱處理工藝，除檢查設(shè)備和工藝外，還要進(jìn)行產(chǎn)品金相顯微組織分析，確定熱處理工藝達(dá)到合格的晶粒度和金相組織。