六角螺栓疲勞斷裂分析

六角頭螺栓，規(guī)格M20×120mm，性能等級為8.8級，材料40Cr鋼，表面經(jīng)熱鍍鋅處理，螺栓安裝后，在服役了一段時間后出現(xiàn)斷裂。

螺栓斷裂件外觀見圖11-38，斷裂位置為桿部與螺紋結(jié)合處的螺紋部分，斷口附近螺紋和桿部無明顯表面損傷痕跡。

圖11-38斷裂螺栓樣品

斷口宏觀分析：整個斷面上有較多銹斑，斷裂起源于一側(cè)的螺紋牙底（圖11-39），向?qū)γ嬉粋?cè)擴展；疲勞源區(qū)可見多條明顯的疲勞臺階，源區(qū)附近的斷口表面平坦、光滑、細密，疲勞擴展區(qū)斷面粗糙；整個斷口可見大量疲勞條帶，從疲勞條帶位置和區(qū)域判斷，斷口上的瞬斷區(qū)面積較小。

在掃描電鏡下對斷口進行微觀觀察，疲勞源區(qū)的形貌可見較多臺階（圖11-40箭頭所指），裂紋源區(qū)有多條放射狀臺階條紋（圖11-40箭頭所指為裂紋擴展方向），表明裂源區(qū)存在著多個裂紋源，這些裂紋源均始于螺紋牙底。

在疲勞擴展區(qū)可看到疲勞條帶，擴展區(qū)形貌為解理斷裂形貌（圖11-41）。

斷面中心區(qū)域有較多孔洞（圖11-42）。

圖11-39  斷口宏觀形貌                  圖11-40  裂紋源多條放射狀條紋

圖11-41  擴展區(qū)解理形貌            圖11-42  中心區(qū)域孔洞

對斷面化學(xué)元素進行能譜分析，在疲勞源和疲勞擴展區(qū)均未發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素。

用光譜法對斷口附近材料進行化學(xué)成分檢測，表明螺栓材料成分符合《GB/T 3077-1999》標準中關(guān)于40Cr鋼化學(xué)成分的要求，

對斷口附近橫截面進行低倍缺陷分析，按照GB/T1979-2001標準進行評級，可評為中心疏松2級（圖11-43）。

經(jīng)檢測顯示斷口附近螺栓的心部組織為正?；鼗鹚魇象w（圖11-44），表面有脫碳現(xiàn)象，但經(jīng)檢測該脫碳層深度符合GB/T3098.1-2000標準要求。沿斷口縱向制取試樣，對斷口附近螺紋形貌進行觀察，發(fā)現(xiàn)螺紋牙底存在微裂紋，裂紋位于牙底的脫碳區(qū)域，裂紋兩側(cè)無氧化現(xiàn)象（圖11-45）。

圖11-43  2級中心疏松                 圖11-44  回火索氏體組織

圖11-45螺紋根部脫碳及微裂紋

在斷口附近進行硬度檢測，螺栓表面硬度和心部硬度均符合《GB/T 3098.1 -2000》標準要求。

表面硬度(HV0.3) 256/258/256，心部硬度(HV10) 305/304/297

表面硬度比心部硬度低約50HV。

經(jīng)檢測顯示螺栓的化學(xué)成分、顯微組織和心部硬度正常。

螺紋牙底存在微裂紋，裂紋位于牙底的脫碳區(qū)域，裂紋兩側(cè)無氧化現(xiàn)象，說明微裂紋是在受到應(yīng)力的作用時形成的，但反應(yīng)出該螺栓在受到應(yīng)力的作用時，在螺紋牙底容易形成微裂紋，可以判定該裂紋是在長期服役條件下由于表面脫碳和應(yīng)力集中萌生的裂紋斷面中心區(qū)域的孔洞是原材料本身的低倍缺陷。螺栓表面存在脫碳，中心存在疏松，使螺栓強度降低。螺栓斷裂屬疲勞斷裂，從疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)的面積看，疲勞擴展區(qū)面積大于整個斷口面積的90%，斷口上疲勞條帶細密，并且可見大量的疲勞條帶，說明螺栓在工作應(yīng)力下裂紋擴展充分，名義應(yīng)力較低，螺栓疲勞屬低應(yīng)力高周疲勞；裂紋源區(qū)有多條臺階條紋，說明裂源區(qū)存在應(yīng)力集中。當表面存在缺陷時就可能產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成臺階條紋，且出現(xiàn)多源疲勞。通過斷口分析和金相分析，均表明疲勞裂紋起源于牙紋底脫碳區(qū)域，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生并檢測到多處疲勞源和裂紋。

該螺栓表面存在脫碳現(xiàn)象，脫碳導(dǎo)致螺栓表面硬度下降，降低了螺栓的疲勞強度。另外，螺栓在長期的交變應(yīng)力作用下，螺栓表面強度較低而又是應(yīng)力集中的地方就往往會成為裂紋的萌發(fā)源。且螺紋牙底處本身就應(yīng)力較為集中，在螺栓的長期服役條件下，由于脫碳導(dǎo)致的此處疲勞強度的降低最終使得根部成為疲勞源，并形成多源的疲勞裂紋，最后疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1） 螺栓的斷裂為疲勞斷裂。

（2） 由于脫碳導(dǎo)致疲勞強度的降低，其螺紋牙底處為應(yīng)力集中的地方成為疲勞源，在長期的交變應(yīng)力作用下形成多源的疲勞裂紋，最后疲勞斷裂。

（3） 螺栓的加工工藝過程要保證滿足技術(shù)質(zhì)量的要求，防止脫碳。

（4） 加強螺栓的原材料檢查，保證原材料滿足技術(shù)質(zhì)量的要求。