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内容提示：光 机 电 Optics & Mechanics & Electrics102军民两用技术与产品 2015·2（下）高强度螺栓是发动机紧固件中最重要的零件之一，如连杆螺栓、缸盖螺栓、主轴承盖螺栓，要求强度等级为10.9级，有些甚至达12.9级。但在实际使用中，高强度螺栓（简称螺栓）断裂失效也时有发生。一、连杆螺栓断裂失效分析连杆螺栓装配时断裂于螺纹处。从断口上看，断口平直，无缩颈，基本上没有裂纹萌生区，全部为最后瞬断区。零件供应商进行了失效分析，认为装配时连杆螺纹内夹入异物，阻碍了螺纹的拧紧，导致装配扭矩过大而断裂。1、断口分析由于断口表现出极大的脆性，如果是基于扭紧力矩过大而断裂，断口应表...
光 机 电 Optics & Mechanics & Electrics102军民两用技术与产品 20152（下）高强度螺栓是发动机紧固件中最重要的零件之一，如连杆螺栓、缸盖螺栓、主轴承盖螺栓，要求强度等级为10.9级，有些甚至达12.9级。但在实际使用中，高强度螺栓（简称螺栓）断裂失效也时有发生。一、连杆螺栓断裂失效分析连杆螺栓装配时断裂于螺纹处。从断口上看，断口平直，无缩颈，基本上没有裂纹萌生区，全部为最后瞬断区。零件供应商进行了失效分析，认为装配时连杆螺纹内夹入异物，阻碍了螺纹的拧紧，导致装配扭矩过大而断裂。1、断口分析由于断口表现出极大的脆性，如果是基于扭紧力矩过大而断裂，断口应表现出良好的塑性，因为拧紧时螺栓主要受扭转应力，而扭转试验的应力状态的柔性系数较大（大于拉伸试验），材料易于塑性变形，而失效的螺栓并未表现出塑性。另外，断裂源也不在齿根部，而是有所偏离。2、化学成分和显微组织分析螺 栓 材 料 牌 号 为 40Cr 钢， 强 度 等 级 10.9 级， 硬 度 要 求32 ～ 38HRC，金相组织要求1 ～ 3级（JB/T8837-2000）。经检验，螺栓化学成分（质量分数）符合 GB/T3077-1988之规定。显微组织为细的回火索氏体，按 JB/T8837-2000评定为1级，其硬度值为34HRC 和35HRC，硬度和显微组织均符合技术条件规定。经磁粉探伤未发现磁痕。将螺栓从杆部与头部交接处纵向剖开，经金相制样、观察，结果在大部分螺纹的根部均有裂纹，即在断口附近和远离断口的螺纹处均存在裂纹，裂纹位置偏离“真正的”齿根部，裂纹的两侧无贫碳和脱碳，说明裂纹的形成与调质处理无关。由于裂纹细小且位于螺纹根部，常规磁粉探伤未发现磁痕。3、试验与讨论为判定裂纹的形成原因，另取同批量、同型号但未使用过的连杆螺栓进行纵剖面金相分析，结果在部分螺纹根部也存在裂纹，因此判定此裂纹系滚齿成型时造成的。这与滚轮使用次数过多，滚齿加工能力变弱有关，经查该批滚轮已超期服役。由于螺纹根部存在裂纹，因此在装配拧紧时螺栓表现出较大的脆性，发生脆性断裂，而滚轮超期服役，其滚齿加工能力变弱则是失效的重要的因素。二、缸盖螺栓断裂失效分析缸盖螺栓发生断裂的缘由分析。1、断口分析两缸盖螺栓（分别编1号和2号）断裂位置均在杆部和头部交接处，装配拧紧时螺栓主要受扭转载荷，此时，主应力与轴线，而切应力则与轴线垂直。从断口看，裂纹开始区与轴线角，表现为扭转时的正断断口，是正应力作用的结果。而瞬断区与轴线垂直，瞬断区面积占总断口面积的绝大部分，说明断裂时应力较大或材料强度不足。2、化学成分和显微组织分析螺栓材料牌号为40Cr 钢，硬度要求32 ～ 38HRC，金相组织要求1 ～ 3级（JB/T8837-2000）。经检验，1号缸盖螺栓化学成分（质量分数）符合 GB/T3077-1988之规定。两螺栓基体组织均为细的回火索氏体，按 JB/T8837-2000评定，组织为1级，符合其1 ～ 3级之技术条件规定。边缘组织中晶界清晰可见，但其颜色明显比其它部位浅，估计表面存在脱碳层，其中2号螺栓更明显。两螺栓均残留带状组织，带状组织中还有非金属夹杂物，其间的硫化物类夹杂物清晰可见，但均在规定范围以内。3、显微硬度测试经磁粉探伤，未发现磁痕。经测定，1号螺栓硬度值为34HRC，2号螺栓硬度值为36HRC 和37HRC，符合32 ～ 38HRC 技术条件规定。由于螺栓已经过调质处理，所以仅根据金相组织来判定边缘是不是真的存在脱碳层似乎尚缺证据。为证实边缘是不是真的存在脱碳层，对边缘和中心部位进行了显微硬度测试。4、分析与讨论由于最大应力位于螺栓边缘，而边缘存在脱碳，降低了边缘的强度。虽然螺栓允许存在一定量的脱碳层，但脱碳层的存在对螺栓服役总是不利的。由于裂纹源于脱碳处，那么脱碳则成为该螺栓断裂失效的重要的因素之一。三、主轴承盖螺栓断裂失效分析发动机主轴承盖螺栓，在装配拧紧时断裂失效。螺栓材料牌号为40Cr 钢，硬度要求30 ～ 35HRC，金相组织要求1 ～ 3级（JB/T8837-2000）。1、理化分析观察三支断裂螺栓的断口，均存在回旋状塑性变形痕迹，为扭转断口，是以扭转为主的扭转和拉伸之混合断口。裂纹起源于螺纹齿根处，断口处均有明显的缩颈。而缩颈的产生，表明试样的载荷达到最大值（抗拉强度）后，在试样的某一部位截面开始急剧缩小，随后变形大多分布在于缩颈附近。所以缩颈的存在，一方面说明螺栓有良好的塑性和韧性，另一方面说明服役载荷很大，已超过试样的抗拉强度。将三支断裂螺栓纵向剖开进行金相观察，螺纹表面无脱碳，但螺纹齿根处均存在微裂纹，长约0.05 ～ 0.10mm，裂纹均存在于距断口3 ～ 4个螺距范围的缩颈区，缩颈区以外的齿根处则无裂纹。2、拉伸试验取与断裂螺栓同批供货的两支未使用的螺栓进行拉伸试验，其抗拉强度分别为1103MPa 和1126MPa，符合10.9级的强度等级要求。将试样纵向剖开进行金相分析，在距断口3 ～ 5个螺距范围内的缩颈区，其齿根处存在裂纹，而缩颈区以外的齿根处则无裂纹，可见该裂纹是拉伸时形成的。取三支未使用的同批螺栓，也取其纵剖面进行金相分析，在螺纹齿根处均未发现裂纹。3、分析与讨论断裂试样的硬度和强度均符合螺栓10.9级的强度等级要求，金相组织也正常，所以螺栓材质正常。从拉伸试验和未使用的同批螺栓的金相分析结果看，缩颈不是由于材料强度不足而产生的。由于裂纹均产生于断裂试样的缩颈处，缩颈以外的螺纹处无裂纹，则该裂纹是螺栓拧紧时载荷过大（超过材料的抗拉强度）所致。经查，断裂螺栓的装配扭矩达146Nm，超过了120Nm 的极限规定。综上所述，螺栓断裂失效的原因是螺栓服役载荷（扭矩）过大，已超过其抗拉强度。摘要文章分析了三种螺栓断裂的原因。关键词螺栓 ；裂纹 ；原因文章编号：1009-8119（2015）02（2）-0102-01分析发动机螺栓断裂失效的原因谢春峰 谢银忠（阜阳市产品质量监督检验所，阜阳 236000）
