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，規格為M16×60，等級為12.9級，材質為SCM435。該批次螺栓制造工藝為：成型-輾牙-堿液去磷-調質熱處理，螺栓表面發黑處理。據委托方反映，通過排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過程，未發現螺栓表面沾染任何外來物質或受污染的情況，安裝過程不添加任何潤滑介質，裝配完成后靜放12小時發現螺栓出現斷裂現象[1]，委托方要求分析其失效原因。圖1所示為現場螺栓安裝示意圖，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，可見斷口處未發現明顯的塑性變形，失效螺栓殘件螺紋牙底存在明顯的銹蝕產物（如圖3箭頭所示）。
圖1 現場螺栓安裝示意圖
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區微觀形貌，斷面存在腐蝕現象，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區微觀形貌
圖6 A區微觀形貌
圖7 A區微觀形貌
圖8~圖10所示為B區微觀形貌，斷面存在腐蝕現象，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區微觀形貌
圖9 B區微觀形貌
圖10 B區微觀形貌
圖11~圖13所示為C區微觀形貌，斷面存在腐蝕現象，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區微觀形貌
圖14 D區微觀形貌
圖15 D區微觀形貌
圖16 D區微觀形貌
圖17、18所示為失效螺栓斷口腐蝕產物能譜分析結果，可見腐蝕產物主要為鐵的氧化物，并存在少量磷、硫、氯、鈉等元素。
圖17 斷面腐蝕產物能譜分析結果
圖18 斷面腐蝕產物能譜分析結果
圖19、20所示為失效螺栓螺紋牙底腐蝕產物能譜分析結果，可見腐蝕產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 螺紋牙底腐蝕產物能譜分析結果
圖20 螺紋牙底腐蝕產物能譜分析結果
圖21所示為失效螺栓表面發黑層能譜分析結果，可見發黑層主要成分為鐵和氧，未發現磷元素。
圖21 螺栓表面發黑層能譜分析結果
3. 金相檢測
截取失效螺栓縱截面進行金相觀察，起裂區附近金相組織如圖22所示，可見起裂區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），螺紋表面未發現明顯的脫碳或増碳現象。
圖22 失效螺栓起裂區金相組織
圖23 起裂區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，未發現裂紋、折疊等不連續性缺陷或明顯的脫碳、増碳現象。
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 斷裂擴展區縱截面金相組織
圖26 斷裂擴展區縱截面金相組織
圖27 斷裂擴展區縱截面金相組織
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，根據“GB/T 10561-2005”標準規定，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
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，經計算得螺栓抗拉強度為1292MPa，符合“GB/T 3098.1-2010”標準規定（≥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鋼的規定。
6．綜合分析
送檢試樣顯微組織、螺紋表面缺陷，脫碳、増碳、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現異常。宏觀形貌顯示，失效螺栓斷口附近未發現明顯塑性變形，螺紋牙底及斷面存在明顯的腐蝕產物。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物說明螺栓服役環境中存在腐蝕性介質，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。因此綜合斷口形貌特征、能譜分析結果及服役環境判斷送檢螺栓失效模式為應力腐蝕斷裂。
據委托方反映，螺栓表面發黑處理，通過排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過程，均未發現螺栓表面沾染任何外來物質或受污染的情況，同時螺栓安裝過程不添加任何潤滑介質，因此推斷腐蝕介質并不是由螺栓帶入，可能積聚在底座盲孔中，且該腐蝕介質中可能含有磷、硫、氯、鈉、鉀、鈣等元素；在腐蝕環境中表面發黑處理的耐蝕能力明顯不足，螺栓表面易發生腐蝕，導致應力腐蝕環境條件的形成。
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。
注[1]：該信息由委托方提供，本實驗室不負責其真實性驗證。
浙公網安備 33042402000106號
