螺栓斷裂失效分析

1. 概述

委托方提供失效螺栓殘件兩枚，已使用完好螺栓一枚，未使用螺栓三枚，規(guī)格為M16×60，等級為12.9級，材質(zhì)為SCM435。該批次螺栓制造工藝為：成型-輾牙-堿液去磷-調(diào)質(zhì)熱處理，螺栓表面發(fā)黑處理。據(jù)委托方反映，通過排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過程，未發(fā)現(xiàn)螺栓表面沾染任何外來物質(zhì)或受污染的情況，安裝過程不添加任何潤滑介質(zhì)，裝配完成后靜放12小時發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象[1]，委托方要求分析其失效原因。圖1所示為現(xiàn)場螺栓安裝示意圖，推斷安裝時螺紋末端應擰入底座盲孔。圖2所示為送檢試樣宏觀形貌，可見斷口處未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，失效螺栓殘件螺紋牙底存在明顯的銹蝕產(chǎn)物（如圖3箭頭所示）。

圖1  現(xiàn)場螺栓安裝示意圖

圖2  送檢試樣宏觀形貌

圖3  失效螺栓殘件螺紋牙底低倍形貌

圖4  失效螺栓斷口低倍形貌

圖5~圖7所示為A區(qū)微觀形貌，斷面存在腐蝕現(xiàn)象，仍可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。

圖5  A區(qū)微觀形貌

圖6  A區(qū)微觀形貌

圖7  A區(qū)微觀形貌

圖8~圖10所示為B區(qū)微觀形貌，斷面存在腐蝕現(xiàn)象，仍可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。

圖8  B區(qū)微觀形貌

圖9  B區(qū)微觀形貌

圖10  B區(qū)微觀形貌

圖11~圖13所示為C區(qū)微觀形貌，斷面存在腐蝕現(xiàn)象，仍可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。

圖13  C區(qū)微觀形貌

圖14  D區(qū)微觀形貌

圖15  D區(qū)微觀形貌

圖16  D區(qū)微觀形貌

圖17、18所示為失效螺栓斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果，可見腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，并存在少量磷、硫、氯、鈉等元素。

圖17  斷面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果

圖18  斷面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果

圖19、20所示為失效螺栓螺紋牙底腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果，可見腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，并存在大量磷元素及少量硫、氯、鈉、鈣、鉀等元素，腐蝕性元素類別與斷面一致。

圖19  螺紋牙底腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果

圖20  螺紋牙底腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果

圖21所示為失效螺栓表面發(fā)黑層能譜分析結果，可見發(fā)黑層主要成分為鐵和氧，未發(fā)現(xiàn)磷元素。

圖21  螺栓表面發(fā)黑層能譜分析結果

3. 金相檢測

截取失效螺栓縱截面進行金相觀察，起裂區(qū)附近金相組織如圖22所示，可見起裂區(qū)附近螺紋牙底存在大量由表面萌生并沿垂直方向擴展的微裂紋（圖23所示），螺紋表面未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳或増?zhí)棘F(xiàn)象。

圖22  失效螺栓起裂區(qū)金相組織

圖23  起裂區(qū)附近螺紋牙底金相組織

圖24所示斷口相鄰螺紋牙底金相組織，未發(fā)現(xiàn)裂紋、折疊等不連續(xù)性缺陷或明顯的脫碳、増?zhí)棘F(xiàn)象。

圖24  斷口相鄰螺紋牙底金相組織

圖25~圖27所示斷裂擴展區(qū)縱截面金相組織，斷面附近存在明顯的分支裂紋。

圖25  斷裂擴展區(qū)縱截面金相組織

圖26  斷裂擴展區(qū)縱截面金相組織

圖27 斷裂擴展區(qū)縱截面金相組織

圖28~30所示為分支裂紋附近顯微組織，可見分支裂紋均以沿晶形式擴展。

圖28  分支裂紋附近顯微組織

圖29  分支裂紋附近顯微組織

圖30  分支裂紋附近顯微組織

圖31所示為失效螺栓芯部顯微組織，為均勻的回火索氏體組織，無異常。

圖31  失效螺栓芯部顯微組織

圖32所示分別為失效螺栓非金屬夾雜物形態(tài)，根據(jù)“GB/T 10561-2005”標準規(guī)定，判定為D類球狀氧化物（細系）1級，無異常。

圖32  失效螺栓非金屬夾雜物形態(tài)

4.性能檢測

對失效螺栓與完好螺栓分別進行表芯硬度檢測，結果如表1所示，表芯硬度均符合“GB/T 3098.1-2010”標準中關于12.9級螺栓的規(guī)定。

對完好螺栓進行實物拉伸試驗，當拉力值達到202.8kN時，螺栓斷裂于未旋合螺紋部位，經(jīng)計算得螺栓抗拉強度為1292MPa，符合“GB/T 3098.1-2010”標準規(guī)定（≥1220MPa）。

5. 化學成分分析

采用直讀光譜法對失效螺栓進行化學成分分析，結果如表2所示，符合“JIS G4053:2008”標準中關于SCM435鋼的規(guī)定。

6．綜合分析

送檢試樣顯微組織、螺紋表面缺陷，脫碳、増?zhí)?、非金屬夾雜物、力學性能、化學成分、基體氫含量等指標均未發(fā)現(xiàn)異常。宏觀形貌顯示，失效螺栓斷口附近未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，螺紋牙底及斷面存在明顯的腐蝕產(chǎn)物。微觀形貌顯示，大部分斷面均可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，能譜分析顯示斷面腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，并存在少量磷、硫、氯等腐蝕性元素，元素種類與螺紋牙底的腐蝕產(chǎn)物基本一致。螺栓服役時主要承受軸向拉應力作用，螺紋牙底與斷面的腐蝕產(chǎn)物說明螺栓服役環(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)，同時滿足了應力腐蝕的兩個條件，即拉應力條件和特定的腐蝕介質(zhì)。因此綜合斷口形貌特征、能譜分析結果及服役環(huán)境判斷送檢螺栓失效模式為應力腐蝕斷裂。

據(jù)委托方反映，螺栓表面發(fā)黑處理，通過排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過程，均未發(fā)現(xiàn)螺栓表面沾染任何外來物質(zhì)或受污染的情況，同時螺栓安裝過程不添加任何潤滑介質(zhì)，因此推斷腐蝕介質(zhì)并不是由螺栓帶入，可能積聚在底座盲孔中，且該腐蝕介質(zhì)中可能含有磷、硫、氯、鈉、鉀、鈣等元素；在腐蝕環(huán)境中表面發(fā)黑處理的耐蝕能力明顯不足，螺栓表面易發(fā)生腐蝕，導致應力腐蝕環(huán)境條件的形成。

7. 結論

（1）送檢螺栓失效模式為應力腐蝕斷裂；

（2）引起螺栓斷裂的主要原因是螺栓服役過程中接觸腐蝕介質(zhì)。

注[1]：該信息由委托方提供，本實驗室不負責其真實性驗證。