1、螺紋緊固件失效分析案例全國緊固件標準化技術委員會機械工業通用零部件產品質量監督檢測中心二00八年6月機械產品失效是一門關于研究機械產品質量的綜合性技術學科， 主要研究失 效的規律與機理。機械零件的失效是在特定的工作條件下， 當其所具備的失效抗 力指標不能滿足工作條件的要求時發生的。 導致零件失效的本質原因可能是材料 本身的失效抗力不足，也可能是零件存在與設計或制造等過程有關的缺陷。 產品 的早期失效往往是產品質量低劣或質量管理不善及科學技術水平不高的直接反 映。失效發生后能否盡快作出正確的判斷，確定失效原因，制定防止失效的措施， 則是衡量有關科技人員技術水平的重要標志。加入WTC后，我國的產品

2、將參與國際市場的競爭，于是提高產品質量成為提高競爭力的關鍵因素。 失效分析則是定 量評定產品質量的重要基礎，也是保證產品可靠性的重要手段。機械科學研究總院、機械工業通用零部件產品質量監督檢測中心在進行大量 失效分析的基礎上（包括對斷裂、腐蝕和磨損的深入研究，特別是斷口、裂紋和 痕跡分析），分析了可能出現失效的形式和類型，以供大家在生產中借鑒，在生 產工藝中加以避免出現失效的可能； 同時，在今后的質量糾紛中維護自己的正當 權益。機械工業通用零部件產品質量監督檢測中心熊學端研究員從事了幾十年失 效分析研究工作，有很深的理論造詣，積累了豐富的失效分析經驗，本文中列舉 了部分螺紋緊固件失效分析案例，希

3、望能夠為生產企業及用戶提供良好的參考和 借鑒；同時，中心愿為生產企業和用戶在今后的失效分析中提供技術咨詢和指導。全國緊固件標準化技術委員會第一部分 失效分析概述11. 失效定義12. 失效分析的意義、目的13. 失效的來源14. 失效分析的思路、方法15. 斷口分析26. 斷口分析部分名詞術語3第二部分失效分析案例71. 汽車上臂螺栓斷裂原因分析72. 溜冰鞋螺釘、螺母斷裂原因分析123. 緊定螺釘斷裂原因分析報告204. 連桿螺栓斷裂原因分析255. 汽車輪轂螺栓斷裂原因分析296. M8X55高強度螺栓斷裂原因分析337. 高壓開關螺栓斷裂原因分析報告378. 溝槽剛性接頭緊固螺栓斷裂原因

4、分析報告429. 定位螺釘斷裂原因分析4710. M36X280 高強度螺栓斷裂原因分析5311. 高壓線塔聯結螺栓斷裂原因分析5912. 中壓電器用螺栓斷裂原因分析報告6413. 網架螺栓斷裂原因分析6614. 螺釘斷裂原因分析6915. 吊環螺釘斷裂失效分析73螺栓失效原因分析79第一部分 失效分析概述在具體講述螺紋緊固件失效分析案例以前，先對失效分析的定義、意義、目的；失效的來源；失效分析的思路與方法；斷口分析和名詞術語等做一簡單敘述。1. 失效定義 一個零件或部件不能履行設計賦予它規定的功能， 稱該零件或部件失效。它 包括以下三個內容：a.完全不能工作；b.可以工作，但不能令人滿意地完

5、成預期 的功能；c.受到嚴重損傷不能可靠而安全的連續使用，必須拆下來進行修理或更 換。應注意把失效與廢品區別開來，前者是在使用過程中出現的，后者是在生產 制造過程中產生的。另外，失效又分為正常失效和非正常失效， 達到設計壽命的為正常失效，反 之為非正常失效，后者才是通常失效分析工作的主要對象。2. 失效分析的意義、目的 機械產品設計者的主要任務，是為社會提供質量好、壽命長、成本低的產品。一種新產品的誕生，開始并不是完美的， 多少會存在各種大小不同的問題，這在 設計、制造中可能難以發現，往往只有在使用中才能充分暴露。為此，設計、制 造者必須針對產品使用中出現的失效進行仔細分析， 找出問題的癥結，

6、重新改進 設計、制造。再投入使用，發現問題，再改進，這個循環過程也許要反復進行多 次。因此，失效分析是機械差品的質量由不完善走向完善的必經之路， 是機械產 品可靠性設計重要的一環。最近一些年來，委托我們進行失效分析的任務越來越 多，這是好事，這并不反應產品質量越來越差，而恰恰反應了生產者、客戶對產 品高質量的追求。3. 失效的來源造成失效的來源主要有以下方面：設計選材材料缺陷制造工藝（冷加工、熱加工、表面處理等等）貯存、運輸（碰撞、銹蝕）裝配（如螺栓擰緊力矩）服役條件（環境溫度、受力狀態、腐蝕環境、相關件的影響等） 因此，失效來源不能單歸咎于生產制造者，還包括流通環節和使用者的一些 問題。4.

7、 失效分析的思路、方法 失效分析也有繁、簡之分。一些零部件的失效在現場很快能確定失效原因，這是簡單的。但是對一些大型零部件（如飛機、電站轉子） ，一些復雜且影響 因素很多的零部件的失效分析，則必須組織多專業的科技人員，動用一些專用的 檢測儀器設備。進行失效分析時，要做的工作包括(根據分析工作的難易來取舍) ：(1) 收集背景資料：失效件的設計圖紙、要求；失效件的制造歷史；失 效件的服役情況、環境、受力情況。(2) 失效件的現場狀態：運行記錄、詢問現場人員、拍照。(3) 化學成分分析：鑒別材料的選擇是否正確。(4) 無損探傷：磁粉、超聲波、著色、渦流、X射線、丫射線、工業CT。(5) 斷口分析：

8、保存好失效件的斷口，不要受到損傷，不要將兩個斷口 去吻對，斷口上的附著物不要忙于清除。斷口的清洗要小心謹慎。( 6) 金相檢驗：包括低倍與高倍。( 7) 斷口電鏡分析：掃描電鏡，透射電鏡，俄歇譜儀，能譜分析等。(8) 相結構分析：X射線衍射。(9) 受力分析：光彈，應變片，涂漆，X 射線應力測定。(10) 力學性能測試：硬度，c b,(T s, S, Ak,Kic, da/dN。(11) 斷裂模擬試驗：對一些吃不準的破壞形式，根據受力條件、環境進 行模擬重現。( 12) 分析、結論。5. 斷口分析斷裂是機器零件失效最嚴重的表現形式之一。 對斷裂的研究已發展成一門獨 立的邊緣學科，涉及到斷裂力學

9、，斷裂物理，斷裂化學和斷口學等多個分支。其 中斷口存儲記錄了大量失效特征及失效原因的信息， 因此，斷口分析是失效分析 最基本，也是最重要的方法之一。盡管如此，在斷口上記錄的信息畢竟有限，加 之對斷口的基本研究仍在深入，以及在復雜工況條件下斷口形貌的變異， 增加了 斷口分析的難度和結論的可靠性。因此絕不能把斷口分析和失效分析等同起來， 把斷口分析所得出的結論充當零件失效原因的結論。( 1 ) 斷口保存 斷口不要磕碰，不要把兩個匹配斷口用力去吻對，以免斷口形貌失真。斷口 上的一些殘留物、污跡往往是失效的證據，不要輕易去除。比如斷口上的油污、 銹跡等往往是裂紋產生在熱處理前或后的判據。 待分析的斷口

10、要用干凈的紙、布 包好，防潮，以免銹蝕。( 2) 存在多個斷口時，對每個斷口的位置要標明，編號，照相留存。( 3) 斷口清洗 當對斷口要進行清洗時，可用酒精、丙酮等清洗；不干膠帶反復粘貼；電鏡 薄膜粘貼；超聲波清洗。當斷口污染、銹跡嚴重時，可用化學方法清洗；呈弱酸性的溶液，堿液清洗(如醋酸，磷酸，稀氫氧化鈉溶液，10滄20%勺草酸等)。清洗完后，用酒精淋洗，吹干后便于觀察或置于干燥箱中保存。( 4) 二次斷口的打開有時斷口受到嚴重損壞，斷裂細節觀察不到，此時可將次生裂紋處打開進行 觀察，往往可以更加真實地反映斷裂的細節。此時，應將斷裂處反響折斷，以防 斷口受到擠擦損傷，有時可將試樣深冷處理（如

11、液氮），使材料脆化，便于折斷。（5） 配對斷口的提供。有時單個斷口不能反映斷裂的力學特征， 對配對斷口進行觀察比比對便可得 出結論，如張開型斷裂，扭轉剪切型斷裂，從韌窩的相對變形方向便可判斷受力 性質（圖1）。圖1在三種應力狀態下形成的顯微空洞及微坑形狀的示意圖（a）正應力（b）剪切應力（c）撕裂應力為了對斷裂性質作初步定性分析，在肉眼觀察零件的實際斷口時，主要從以 下幾個方面入手：（1）觀察斷口是否存在放射花樣或人字紋，人字紋的頂點就是裂紋源的 位置。根據放射區和纖維區面積的相對大小，可以大致定性估計斷裂性質。放射 區大，所受外力就大，脆性也就越大。（2）斷口上是否存在弧形線，如有海灘狀弧線

12、，說明是疲勞破斷。（3）斷口的粗糙程度，斷口越糙，表明韌性纖維斷裂所占比重越大。反 之，斷口細平，多光澤，貝懈理脆性斷裂所占比重大。（4）斷口顏色，斷口灰暗，塑性大。（5）斷口與最大正應力方向的交角。脆斷時，斷口與最大正應力方向垂 直，而純剪斷時斷口與最大切應力方向平行。6. 斷口分析部分名詞術語（1）沿晶斷裂實際金屬材料為多晶粒結構，晶粒之間的邊界稱之為晶界，沿晶界擴展的裂 紋，叫沿晶斷裂。圖2就是它的斷口形貌，宛如冰糖狀，所以又叫冰糖狀斷口。圖2沿晶斷裂斷口形貌2000X（2）穿晶斷裂與沿晶斷裂相反，裂紋在晶粒內部擴展。（3）解理斷裂一種在正應力作用下產生的穿晶斷裂，通常沿一定的嚴格的晶面

13、一一解理面 分離，如體心立方金屬中，（001）面就是解理面。解理斷裂的形貌特征為河流花 樣，河流的上游（支流）就是裂紋發源處。肉眼觀察斷口時，旋轉斷口，可以看 到許多閃閃發光的亮點（常稱小刻面）就是解理面。解理斷裂形貌如圖3所示圖3解理斷裂的河流花樣（4）準解理斷裂在斷口微觀形貌上，可看到解理斷裂的特征，同時又伴隨著一定的塑性變形 痕跡，稱之為準解理（如圖4）。圖4準解理形貌2400 X(5) 韌窩它的斷裂特征是發生了明顯的塑性變形。 斷裂過程由顯微空洞的形成、 長大 連接組成。這些顯微空洞稱之為韌窩(圖 5)。這種斷裂方式屬于韌性斷裂。圖5韌窩斷裂5500 X(6) 剪切唇斷裂過程的最后階段

14、，表面光滑，與拉應力方向呈 45度，通常稱之為拉邊, 此時裂紋是在平面應力狀態下發生失穩擴展，材料塑性變形很大。(7) 放射花樣裂紋快速擴展在斷口上留下的撕裂痕跡，它的放射方向就是裂紋擴展的方向 (圖 6)。圖6放射花樣（8）疲勞斷裂在全部結構零件的破壞中，疲勞斷裂占絕大多數，因此引起人們的特別關注。疲勞是在周期交變應力作用下產生的一種突發破壞形式，在靜載荷條件下不 存在疲勞。疲勞的抗力指標是疲勞極限C r。通常低于材料的屈服極限。疲勞斷裂，在宏觀上沒有顯著的塑性變形，從這個意義上說，疲勞破斷屬于 脆性斷裂。疲勞斷口大體上可分成三個區：裂紋源區；裂紋擴展區；裂紋快速擴展區（瞬 斷區）和剪切唇（

15、圖7）。圖7疲勞斷口形貌疲勞源區：一個光滑、細膩的細小區域，由于受交變應力的作用，裂紋兩側 因反復擠壓而變得平坦、光滑。裂紋擴展區：該區的最大特點是有疲勞弧線（又稱貝殼花樣或海灘花樣），這是裂紋擴展中的停頓或應力大小變化時， 裂紋前沿線所留下的痕跡。該區的微 觀形貌是存在疲勞輝紋（圖8），這是一些相互平行的條帶，每一個條帶對應一 次應力循環圖8疲勞輝紋1000 X瞬斷區：疲勞裂紋擴展至一定深度后，零件的剩余截面積不足以抵抗外力的 作用而產生瞬時破斷。該區的特征是放射條帶和剪切唇。第二部分失效分析案例1.汽車上臂螺栓斷裂原因分析某汽車公司的汽車上臂螺栓在服役中發生早期斷裂，行駛里程約1500公里

16、供貨方要求對螺栓斷裂原因進行分析。螺栓材料為35CrMo規格為 M121.25 X 65-10.9，表面鍍黃鋅。送檢樣品2件，均為斷裂螺栓尾部的一段，其中一件長度約30m（以下稱為1號）；另一件尾部被車切去一段，剩余長度約 20m（以下稱為2號）。一、檢驗結果1.外觀斷裂螺栓未見塑性變形，但牙頂明顯可見壓塌、磕傷痕跡。螺栓中部一段（距 斷口約7扣處）明顯發黑，很明顯該段為擰入螺母中的區域。2.斷口對斷口進行體視顯微鏡和掃描電鏡觀察， 兩個螺栓的斷口形貌基本相同（圖 1），明顯可見疲勞海灘狀弧線。7#1號2號圖1 螺栓斷口形貌以1號斷口為例，斷口明顯分為3個區。I區為疲勞源區，位于牙底表面， 在

17、該區存在多個剪切臺階，系牙底應力集中而引發的多個疲勞源區相交界面撕裂 而成；U區為疲勞裂紋擴展區；川區為裂紋快速擴展區及瞬斷區（剪切唇） 。在 疲勞源區可見牙底存在的裂紋（圖 2），在U區的高倍放大形貌中可見疲勞輝紋 （圖3），快速擴展的微觀形貌為細小韌窩及撕裂棱（圖 4）。圖2 疲勞源區牙底裂紋（箭頭所指）圖 3疲勞n區的疲勞輝紋圖4快速擴展區的韌窩花樣3.螺栓表面觀察去除螺栓表面的鍍鋅層后在掃描電鏡下觀察，可見絕大部分牙底均存在周向裂紋，兩個螺栓均如此（圖5中箭頭所指）。ab2號螺栓）4.硬度1號螺栓為33.0HRC（三點平均）2號螺栓為35.0HRC（三點平均）5.金相將斷裂螺栓沿中心線

18、軸向剖開，利用顯微硬度法檢測脫碳層（G 值和E值）1 號螺栓：G=0, E= 0.35mm2 號螺栓：G=0, E=0.41mm圖6為螺栓表面脫碳層的金相組織。1號螺栓25 X圖62號螺栓25X 螺栓表面的脫碳層在剖面上可觀察到，幾乎所有的牙底存在明顯的裂紋， 兩個螺栓的情況基本 相同（圖6），這與螺栓表面掃描電鏡（圖5）所看到的情況吻合。裂紋的高倍放 大形貌表明，該裂紋實際上是一種加工折疊，折疊方向為同一朝向，在折疊的缺 口尖端誘生出細小的徑向裂紋。25 X100X1號螺栓（右圖為左圖的放大）1026 X100X2號螺栓（右圖為左圖的放大）圖7螺栓牙底裂紋（箭頭所指）（A處為折疊，B處為疲勞

19、裂紋）1 級（GB螺栓材料的非金屬夾雜物主要為球狀不變形夾雜物，評定為10561-1989 （圖 8）。#圖8原材料的非金屬夾雜物100 X螺栓基體組織為均勻的保持馬氏體位向的回火索氏體組織（圖9）,但在牙底折疊裂紋處由于脫碳而存在較多的鐵素體，該處的硬度為287HV0.31 號螺栓500 X2 號螺栓500 X2號螺栓250 X圖9 螺栓金相組織另外，在1號螺栓的縱向金相磨面上，清晰可見一條淺色的貫穿螺栓全長的 管狀偏析條帶（圖10）,在該區存在較多的線點狀夾雜。而 2號螺栓卻不存在上 述現象。圖101號螺栓中心區的帶狀偏析 8 X二、分析檢驗結果表明，兩個螺栓的基體組織為正常的回火索氏體。

20、 基體硬度符合標 準GB/T3098.1-2000中對10.9級螺栓所規定的3239HRC的范圍。兩個螺栓的E值（1號為0.35mn,2號為0.41mr）i均不符合上述標準所規定 的最小值（0.0511mm，說明螺栓表面的半脫碳深度已經超標。兩個螺栓的斷口存在明顯的海灘狀疲勞弧線和疲勞輝紋， 表明螺栓的斷裂為 疲勞破斷。最后斷裂區位于螺栓表面一側，由此可判斷。螺栓在使用過程中承受 的是單向彎曲疲勞應力。從斷口中疲勞區和快速擴展區的相對大小來看， 說明螺 栓承受的是中等強度的外加載荷。斷裂的兩個螺栓牙底存在折疊缺口（圖 7），折疊形成的尖銳缺口因應力集 中可能會削弱螺栓的疲勞強度，因而極易在缺口

21、尖端誘發疲勞裂紋的萌生， 牙底 折疊缺口在離斷口的第二個牙底就已經存在， 該處并未擰入螺母中，說明折疊并 非是由于螺栓強迫擰入螺母而形成的（假定螺栓擰入螺母的部位可能產生此類折 疊的話）。當然，在螺栓與螺母的裝配過程中，倘若由于某些原因出現強迫裝配 的情況，在螺栓中將會形成過大的附加拉應力，無疑也會降低螺栓的壽命。在 1號螺栓心部產生的管狀偏析帶，是由于原材料生產中出現的問題，盡管 不是造成螺栓斷裂最直接的原因，但對螺栓的壽命有不利影響，在金相觀察中， 發現位于偏析區的斷口區比正常區域存在多而深的二次裂紋證明了這一點。三、結論1. 兩個螺栓的斷裂屬于單向彎曲疲勞斷裂。裂紋由螺栓牙底部的折疊尖銳

22、缺口處開始擴展。122.溜冰鞋螺釘、螺母斷裂原因分析一、概況某廠生產的溜冰鞋輪子上的螺釘、螺母在裝配后未經使用便出現自然斷裂。 因此，該廠要求對螺釘斷裂的原因進行分析。螺釘規格為M515.5，材料為1018鋼；螺母外形尺寸為由6. 3X32. 5, 材料為10B2I。螺釘經滲碳處理，表面鍍鋅。送檢樣品包括斷裂和未斷裂的螺釘和螺母共計 36個螺釘斷裂位于螺紋終止 端最后一扣處或過渡圓角處，其中以過渡圓角處斷裂為最多。螺母全斷在內螺紋 終止處。斷裂與未斷裂螺釘、螺母的典型外觀形貌如圖 1。圖1斷裂與未斷裂螺釘外觀形貌13二、檢測1.斷口圖2分別為螺釘、螺母斷口的低倍體視形貌。螺釘斷口為平斷口，無剪

23、切唇， 宏觀上可斷為脆性斷口，斷裂快速擴展區 放射狀條紋區占斷口面積的 3/4， 從放射條紋的收斂方向可知，斷裂源位于螺紋表面。螺母斷口為斜斷口，外圓周存在明顯的剪切唇，與剪切唇相對方向為斷裂源 區，即斷裂起始點位于內螺紋的齒根部。 從剪切唇明顯存在的事實說明螺母的宏 觀塑性較好。在掃描電鏡下觀察斷口，螺釘斷裂源區的微觀形貌為沿晶斷裂， 并存在二次 裂紋，晶粒表面存在微量塑性變形及雞爪花樣（這是氫脆的典型斷口特征）（圖3），另外在斷裂起始區附近的表面觀察到表面裂紋（圖 3c中箭頭所指）。裂紋快 速擴展區的微觀形貌為準解理斷裂（圖4），部分區域也存在部分韌窩及沿晶特征， 并有二次裂紋。螺釘8X圖2螺釘、螺母斷口低倍體視形貌螺母8X（箭頭所指為斷裂源區）(a)(b)(c)圖3螺釘斷口源區掃描電鏡形貌圖4螺釘斷口裂紋快速擴