高強度螺栓斷裂分析

1、高強度螺栓斷裂分析作者：上海交通大學(xué) 曾振鵬摘要:采用斷口分析、金相檢驗和硬度測定等方法，對高強度螺栓斷裂原因進行了分析。斷口分析結(jié)果表明，斷口平坦，呈放射狀花樣，微觀形態(tài)主要為準(zhǔn)解理花樣，表明螺栓的斷裂是脆性斷裂;同時發(fā)現(xiàn)，在斷口附近還存在橫向內(nèi)裂紋，內(nèi)裂紋的斷口形態(tài)與斷裂斷口一樣。金相分析表明，材料棒中存在嚴(yán)重的中心碳偏析，而中心碳偏析是引起斷裂的主要原因。 關(guān)鍵詞:高強度螺栓;準(zhǔn)解理;橫向內(nèi)裂紋;中心碳偏析 某廠生產(chǎn)的一批規(guī)格為M30×160mm的高強度大六角頭螺栓，在進行驗收試驗時發(fā)生斷裂。螺栓材料為35CrMoA，采用常規(guī)工藝生產(chǎn)，硬度要求為3539HR

2、C。 1檢驗 1.1材料的化學(xué)成分 用VD25直讀光譜儀進行了材料化學(xué)成分分析，分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))列于表1。從表1可以看出，材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。1.2硬度測定 硬度測定結(jié)果列于表2。由表可見，螺栓材料硬度雖符合技術(shù)要求，但已接近上限。1.3材料的顯微組織 (1)在拋光態(tài)下，可見材料中含有較嚴(yán)重的夾雜物，其形態(tài)、分布見圖1。對照標(biāo)準(zhǔn)2，夾雜物級別為34級。 圖1夾雜物形態(tài)及分布狀況100× 圖2螺栓的顯微組織280×(2)顯微組織見圖2。組織為回火馬氏體+粒狀貝氏體，并有少量鐵素體。從圖2可明顯看

3、出，組織中存在嚴(yán)重偏析，出現(xiàn)回火馬氏體和粒狀貝氏體帶，致使顯微組織不均勻，而且在回火馬氏體帶中存在MnS夾雜。對樣品螺紋根部附近的組織進行了觀察，未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。 1.4斷口分析 (1)圖3a為斷口的宏觀形貌，斷口較平坦，表面呈灰色，有明顯的撕裂脊，呈放射狀花樣，放射線從中心向四周發(fā)射。表明裂紋先在中心形成，然后向外擴展。當(dāng)裂紋擴展至整個橫截面時，螺栓斷裂。 圖3斷口的宏觀形貌(2)斷口的微觀形態(tài)基本上以準(zhǔn)解理花樣為主，還有一些二次裂紋，如圖4所示。 圖4斷口微觀形貌從斷口的宏觀和微觀分析可知，斷裂斷口為脆性斷口，裂紋起源于中心部位。裂紋產(chǎn)生后向四周擴展

4、，直至螺栓斷裂。 1.5螺紋部位橫向內(nèi)裂紋 (1)在制取金相試樣時，發(fā)現(xiàn)試樣螺紋部分至少還有12個垂直軸線的橫向內(nèi)裂紋，其縱截面形態(tài)見圖5，似人的嘴形。打開內(nèi)裂紋，發(fā)現(xiàn)其面積已基本占據(jù)了整個橫截面，其形態(tài)與斷裂斷口十分相似。圖3b為它的宏觀形貌。從斷口的宏觀形態(tài)上可以看出，裂紋面較平坦，呈灰色，有明顯的呈放射花樣的撕裂脊，放射線是從中心向四周放射的。比較圖3a和圖3b可以看出，它們的形貌是相同的。裂紋斷口的微觀形態(tài)也是以準(zhǔn)解理花樣為主加二次裂紋。斷口的宏觀、微觀分析表明，該內(nèi)裂紋斷口與斷裂斷口本質(zhì)上是一樣的。 圖5螺紋部位的橫向內(nèi)裂紋縱截面形態(tài)(2)將剩余部分的螺

5、栓沿中心縱向剖開，用10%硝酸溶液侵蝕，發(fā)現(xiàn)材料心部有嚴(yán)重的碳偏析，存在明顯的流線，見圖6。這與金相觀察結(jié)果是一致的。對存在偏析的顯微組織進行顯微硬度測定，發(fā)現(xiàn)偏析中的回火馬氏體區(qū)域的硬度為48.2HRC，大大高于粒狀貝氏體區(qū)域的硬度(35.5HRC)。 圖6螺栓材料內(nèi)部的碳偏析2分析與討論 2.1螺栓的橫向內(nèi)裂紋 化學(xué)成分分析表明，螺栓材料的化學(xué)成分符合35CrMoA鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分，其硬度也在技術(shù)要求范圍內(nèi)(但已接近上限)。但是從金相分析結(jié)果可以看出，材料的內(nèi)在質(zhì)量較差，心部存在碳偏析，不僅降低了材料的韌性和塑性，而且由于組織不均勻，引起心部硬度不均勻，最高硬度已

6、達48HRC。同時，材料中存在嚴(yán)重的夾雜物，致使螺栓心部材料硬而脆，因此施加載荷后首先在心部產(chǎn)生裂紋，而后形成橫向內(nèi)裂紋。所謂鋼材的碳偏析是指鋼材內(nèi)各部位含碳量的不均勻性。碳偏析是樹枝狀偏析的結(jié)果，而樹枝狀偏析又是選擇結(jié)晶的結(jié)果。鋼在結(jié)晶時，先形成枝干，然后形成枝間，先結(jié)晶的枝干比較純，碳濃度較低，而遲結(jié)晶的枝間碳濃度較高，形成碳分布不均。若鋼材或鍛件樹枝晶發(fā)達，則鋼的塑性和韌性降低，這種情況尤以中碳鉻鉬鋼最為普遍，在壓力加工時會形成流線，樹枝晶偏析嚴(yán)重時還可使鍛件破裂3。碳偏析是在冶金過程中由于種種原因造成的。緊固件原材料中的嚴(yán)重碳偏析會造成緊固件經(jīng)熱處理后各部位力學(xué)性能的顯著差異。文獻4報

7、道，有一批某型汽車上的45鋼螺栓，在使用中連續(xù)發(fā)生斷裂事故，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂是由心部開始，整個斷口呈放射狀脆斷形貌，將這批螺栓所用鋼材沿其軋制方向剖開，發(fā)現(xiàn)在試樣中心存在著內(nèi)部裂紋，經(jīng)酸蝕后可看出嚴(yán)重的中心碳偏析。所以，可以認為，本例螺栓受載荷后產(chǎn)生脆性斷裂和存在橫向內(nèi)裂紋是與螺栓材料內(nèi)存在中心碳偏析有關(guān)。 2.2內(nèi)裂紋 為什么內(nèi)裂紋不象斷口裂紋那樣使螺栓斷裂呢?這是因為擰緊螺母后，在螺桿上產(chǎn)生的軸向拉力分布是不均勻的，軸向力在旋合各圈羅紋牙間的分布呈雙曲余弦函數(shù)關(guān)系，第一圈羅紋牙承受的軸向力最大，然后依次減小5。因為與橫向內(nèi)裂紋相對應(yīng)的螺紋處的軸向應(yīng)力小，所以螺栓沒有斷裂

8、。 2.3材質(zhì) 雖然螺栓材料的化學(xué)成分符合35CrMoA鋼標(biāo)準(zhǔn)，但其夾雜物含量較高(34級)，且存在中心碳偏析，因此認為，該批螺栓的材質(zhì)是不合格的。 3結(jié)論 (1)螺栓的斷裂為脆性斷裂。 (2)斷裂的原因是因為螺栓材質(zhì)不良原材料棒中存在中心碳偏析以及嚴(yán)重的夾雜物。 4建議 (1)加強對原材料的質(zhì)量檢查。 (2)為了提高螺栓材料的綜合力學(xué)性能，硬度控制在技術(shù)要求的中限附近。螺絲螺栓斷裂的原因有哪些經(jīng)常在實際使用中，螺絲螺栓經(jīng)常會有斷裂的現(xiàn)象，有現(xiàn)場斷裂，有延遲斷裂，而且后果非常嚴(yán)重，請詳細分析原因螺栓斷裂原因的分析在

9、這里是很難分析清楚的,你的信息傳遞的也很少,因此在這里只能給出你分析的方法螺栓的斷裂一般就是材料熱處理冷加工表面處理這幾個方面入手1,搞清楚生產(chǎn)工藝是什么樣的,冷鐓和熱鐓是不盡相同的2搞清楚材料的處理機制以及化學(xué)成分金相組織等3從斷裂的位置上進行初步判斷4,熱處理過程是怎樣的,金相組織怎樣5觀察螺紋牙形牙底R大小6.搞清楚是否有氫脆的可能補充：一般情況下，我們對于螺栓斷裂從以下四個方面來分析：第一、螺栓的質(zhì)量 第二、螺栓的預(yù)緊力矩 第三、螺栓的強度 第四、螺栓的疲勞強度實際上，螺栓斷裂絕大多數(shù)情況都是因為松動而斷裂的，是由于松動而被打壞的。因為螺栓松動打斷的情況和

10、疲勞斷裂的情況大體相同，最后，我們總能從疲勞強度上找到原因，實際上，疲勞強度大得我們無法想象，螺栓在使用過程中根本用不到疲勞強度。一、螺栓斷裂不是由于螺栓的抗拉強度：以一只M20×80的8.8級高強螺栓為例，它的重量只有0.2公斤，而它的最小拉力載荷是20噸，高達它自身重量的十萬倍，一般情況下，我們只會用它緊固20公斤的部件，也只使用它最大能力的千分之一。即便是設(shè)備中其它力的作用，也不可能突破部件重量的千倍，因此螺紋緊固件的抗拉強度是足夠的，不可能因為螺栓的強度不夠而損壞。二、螺栓的斷裂不是由于螺栓的疲勞強度：螺紋緊固件在橫向振松實驗中只需一百次即可松動，而在疲勞強度實驗中需反復(fù)振動

11、一百萬次。換句話說，螺紋緊固件在使用其疲勞強度的萬分之一時即松動了，我們只使用了它大能力的萬分之一，所以說螺紋緊固件的松動也不是因為螺栓疲勞強度。三、螺紋緊固件損壞的真正原因是松動：螺紋緊固件松動后，產(chǎn)生巨大的動能mv2，這種巨大的動能直接作用于緊固件及設(shè)備，致使緊固件損壞，緊固件損壞后，設(shè)備無法在正常的狀態(tài)下工作，進一步導(dǎo)致設(shè)備損壞。受軸向力作用的緊固件，螺紋被破壞，螺栓被拉斷。受徑向力作用的緊固件，螺栓被剪斷，螺栓孔被打成橢圓。四、選用防松效果優(yōu)異的螺紋防松方式是解決問題的根本所在：以液壓錘為例。GT80液壓錘的重量是1.663噸，其側(cè)板螺栓為7套10.9級M42螺栓，每根螺栓的抗拉力為110噸，預(yù)緊力取抗拉力一半計算，預(yù)緊