六角電鍍螺栓斷裂失效分析

六角電鍍螺栓，規(guī)格為M8×12，性能等級(jí)為8.8級(jí)，材質(zhì)為SWRCH35K. 表面電鍍黃鋅。

在安裝時(shí)發(fā)生斷裂，對(duì)2件斷裂螺栓及部分未斷裂螺栓進(jìn)行分析。

13.3.1  試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

對(duì)斷裂件和同批完好件進(jìn)行目視檢查：該批螺栓為全螺紋螺栓，未斷裂螺栓上的裂紋均為橫向裂紋，多位于螺紋底部，個(gè)別在頭下。

位于頭下圓角處的裂紋，沿頭下圓角橫向分布，見(jiàn)圖13-19。

對(duì)斷裂件進(jìn)行目視檢查：斷口起裂位置位于頭下螺紋收尾的第一螺紋牙底，見(jiàn)圖13-20。

斷口正面形貌觀察：斷口斷面右側(cè)有一圓弧形區(qū)域，表面銹蝕嚴(yán)重，該區(qū)域約占整個(gè)斷面面積的二分之一；斷面左側(cè)為一斜斷面，斜斷面為金屬本色，見(jiàn)圖13-21。

斷面掃描電鏡觀察，可見(jiàn)圓弧斷面與斜斷面之間存在明顯的反差，圓弧斷面表面氧化嚴(yán)重，顏色較深，而斜斷面為新鮮斷口，顏色較淺，見(jiàn)圖13-22。

圖13-19 未斷裂螺栓表面裂紋

圖13-20   斷裂螺栓斷口形貌

圖13-21  斷口放大形貌

圖13-22斷面掃描電鏡照片

斷面的掃描能譜分析，圓弧斷面氧含量較高且外側(cè)距邊緣1mm內(nèi)有較多的鋅，見(jiàn)圖13-23。

斷面圓弧區(qū)微觀可見(jiàn)其表面氧化嚴(yán)重，見(jiàn)圖13-24。

圖13-23 斷面能譜分析                   圖13-24 斷面圓弧區(qū)微觀形貌

斜斷面表面微觀可見(jiàn)拋物線形韌窩，并呈螺旋分布，推斷該螺栓是在扭轉(zhuǎn)載荷下發(fā)生斷裂，見(jiàn)圖13-25。

圖13-25 斜斷面表面微觀形貌

把同批未斷裂但螺紋底部有橫向裂紋的螺栓，進(jìn)行金相檢查，螺紋底部的橫向裂紋走勢(shì)剛勁，尾端尖細(xì)，兩側(cè)碳勢(shì)正常，見(jiàn)圖13-26。

圖13-26   螺紋底部橫向裂紋形貌

斷裂螺栓化學(xué)分析，用直讀光譜法對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分符合JIS G3507.1-2005標(biāo)準(zhǔn)中SWRCH35K鋼的要求。

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行表面硬度梯度及心部硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為265～292 HV10，螺栓硬度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍之內(nèi)。

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行金相組織檢查，金相組織為回火索氏體，見(jiàn)圖13-27。

圖13-27  螺栓金相組織

13.3.3  分析與討論

螺栓斷口分為兩個(gè)區(qū)域，其中一個(gè)區(qū)域的弧形斷面氧化嚴(yán)重，且邊緣有電鍍時(shí)滲入的鋅，鋅應(yīng)來(lái)源于電鍍過(guò)程，由此可推斷在電鍍前該處已有裂紋。

另外，在同批送檢的未斷裂螺栓上也發(fā)現(xiàn)橫向裂紋，分別位于頭下或牙底，裂紋走勢(shì)剛勁，尾端尖細(xì)，兩側(cè)碳勢(shì)正常，可確定為淬火裂紋。

該批故障螺栓的斷裂和裂紋，都出現(xiàn)在螺栓應(yīng)力集中的頭下或牙底，這反映了裂紋與斷裂都出現(xiàn)在螺栓的特定部位，與材料無(wú)關(guān)，也與加工和成型無(wú)關(guān)，主要與熱處理的冷卻有關(guān)。如果螺栓淬火時(shí)冷卻過(guò)快，就會(huì)在應(yīng)力集中的頭下或牙底產(chǎn)生淬火裂紋。

該批故障螺栓為全螺紋，螺紋成型后，螺栓頭下的應(yīng)力集中大于牙底應(yīng)力集中，淬火時(shí)形成的裂紋，頭下裂紋比螺紋牙底裂紋深，在安裝應(yīng)力作用下，螺栓在頭下斷裂，螺紋牙底裂紋擴(kuò)大。

由于螺栓頭下淬火裂紋較深，使得螺栓的有效承載面積顯著降低，其強(qiáng)度降低。滿足不了螺栓安裝要求。當(dāng)安裝扭矩稍大一點(diǎn)（超過(guò)其承載強(qiáng)度）時(shí)，螺栓便發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂。

另外，螺栓螺紋牙底淬火裂紋較淺，有效承載面積降低不多，在安裝扭矩作用下時(shí)，裂紋擴(kuò)展但未斷裂。

13.3.3  結(jié)論與啟示

（1）由于螺栓存在淬火裂紋，在安裝扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生斷裂。

（2）由于螺栓頭下和牙底存在應(yīng)力集中，在熱處理淬火冷卻時(shí)，冷卻過(guò)快使應(yīng)力集中處形成淬火裂紋

（3）防止螺栓產(chǎn)生淬火裂紋，熱處理淬火前采用去應(yīng)力退火，或在淬火時(shí)控制淬火冷卻速度。