10.9级高强螺栓断裂失效分析

约为15的过渡区。

　　螺栓断口形态1.2裂纹位置与状态显示断口位于牙1与牙2之间，集中于牙1受载面牙根处。查阅装配图可知，第3~6牙螺纹正好位于配合件沉孔处，第2螺纹为与配合件内螺纹配合的首牙螺纹，即断口正好处在该螺栓与配合件的起始结合部位。

　　4个螺距范围内的齿根（第1~5牙螺纹）部位可见明显的裂纹痕迹。（a所示为第1 ~2牙螺纹的根部裂纹的低倍扫描电镜图像，箭头所指部位明显可见齿根处裂纹。金相显示第1~5牙螺纹牙根圆弧处均有裂纹产生，深度0. 15~0.30第5~6牙齿根圆弧处未发现裂纹。（b）所示为第3 ~4牙压根圆弧处的裂纹放大图，所示该螺栓牙型角约为59.6经检测其齿根过渡圆弧半径约为0.32mm 2成分、组织及硬度检测所示为螺纹侧面边缘位置的显微组织照片，基体为较细的调质态的回火索氏体+3%未溶铁索体组织正常，符合GB/T3098. 1―2000要求的获得90%以上回火索氏体要求；边缘颜色明显比其它部位颜色深。对该螺栓截面不同深度进行光谱化学分析（SFECTRCMEIER光谱分析仪）其化学成分见表1所示，可见其表层己严重渗碳；同时根据GB/T3098.1―2000用硬度法进行表层渗碳检测，检测部位为齿测沿中径线检测，其硬度梯度值见表2检测结果可表明其表面硬度明显高于心部硬度。横截面1/2半径处检测该螺栓基体硬度为359 ~39HRC硬度要求。

　　表1化学成分分析结果（质量分数，距表面距离/mm心部表2硬度法测表层碳深度/mm 0.42心部相邻齿心部硬度/. 3缺陷分析3.1断口分析中所示F区为疲劳扩展区断面，断面与螺栓轴向约成90疲劳源位于中1所示部位，该裂纹起始于螺纹根部。（a）显示为F区断口裂纹源处高倍扫描电镜图像，因断口裂纹源处己被严重磨损，其断面光滑，但仍然可见有微挤压变形痕迹和微裂纹；（b）显示为F区断口边缘的低倍扫描电镜图像，该疲劳裂纹扩展区，具有疲劳断口特有的贝纹线，贝纹线有明显的推进痕迹，贝纹线先期呈弧形向内推进，线纹细密，中后期则呈直线向内推进，线纹较粗，因断面被反复多次挤压摩擦，使该区域变得比较光亮。

　　中所示S区（瞬断区）其断面具有放射性纹路，断面与螺栓轴向约成45为典型的过载瞬断断口形貌。为断口扩展区（S区取样）的高倍扫描电镜图像，其微观断口特征为等轴状韧窝，是塑性断裂，韧窝中未见非金属夹杂物，可见该裂纹扩展时主要受拉和弯曲交变应力作用。

　　疲劳断面与瞬断断面之间分界明显，可见断裂是由于受载面发生疲劳开裂后在某一瞬间承受过载应力而导致的突然断裂。

　　3.2应力分析由所示，零件断口部位未见颈缩，但断口附近有4牙螺纹根部环裂。经查，该螺栓的装配扭矩为750Nm并采用专用扭力扳手作业，符合其安装扭矩750Nm规范值要求。

　　从断口部位分析得知，其断口正好位于螺栓起始结合处，即牙1与牙2之间（见）该螺栓装配时使用螺纹胶固定，螺栓工作过程中主要承受所示力矩作用，即在受弯曲载荷过程中其支点应在螺纹起始结合处，即牙1与牙2之间的齿槽处所受的交变载荷*严重，即应力集中*大。

　　3尺寸分析为了提高螺纹的抗疲劳强度和减少切口敏感性，对8.8级以上高强外螺纹，要求其牙底处圆弧半径不小于0.125P（其中P为螺距）（b）所示，该螺栓螺纹牙底圆弧半径约为0.32mm己接近极限*低允许值0.313（该螺栓为10. 9级12.5的粗牙螺纹）3.4热处理分析由可见，该螺栓螺纹表面有渗碳现象，经化学成分检测分析确认渗碳层厚度约0.15mm其渗碳原因是在调质过程中气氛保护时碳势控制不当。

　　在淬火过程中组织的转变温度与碳含量相关，碳含量提高将会使马氏体转变起始温度M降低，因表面渗碳使碳含量加导致其马氏体的生成滞后于基体，所以表面的相变收缩，受芯部己生成的马氏体制约，导致表面的残余应力表现为拉应力。因淬火硬度与碳含量有关，碳含量加其淬火硬度也将加，同时，表层塑性下降而使其抗疲劳强度能力降低。

　　4结论综合上述分析，螺栓断裂是由于螺纹根部有初生裂纹产生，在服役中初生裂纹不断扩展推进，当裂纹扩展至一定深度后，因受载面积减少使该截面应力急剧加，而导致突然断裂。

　　因该螺栓装配扭矩符合规范要求，断口无明显塑性变形出现，可排除装配过载引起的初生裂纹，因此导致在根部多处环裂的主要原因是：因调质处理过程中螺纹表层严重渗碳，使表层硬度加塑性下降，同时表层组织应力表现为拉应力，加了表层裂纹敏感性；其次，因螺纹根部圆弧半径较小，使根部处切口敏感性加大。在两者作用下，抗疲劳性能降低，在服役时发生疲劳断裂。

　　5改进措施及效果滚轮修形，使螺纹牙底圆弧半径合理加大，强其抗切口敏感性；热处理过程合理控制碳势，并定期校定碳势，避免表层渗碳或脱碳；热处理后可加强力抛丸工序，使螺纹表层产生压应力，提高螺纹的抗疲劳强度；加强过程控制能力，强化理化检测，热处理调质后严格按GB/T30981―2000要求检测螺纹的表层脱/渗碳和其它力学及物理性能检测。

　　依据改进措施所提出的建议，厂方对该产品进行整改，该产品到目前为止服役期间未出现类似失效。