案例分享：10.9級螺栓斷裂原因分析
某螺栓在使用時間約1000h后發生斷裂，宏觀形貌如圖1所示，螺栓級別為10.9級，現對螺栓的斷裂原因進行分析。
圖1 斷裂螺栓宏觀形貌
螺栓斷口裂紋起源位于螺栓中部螺桿與螺紋過渡處的第一個螺紋根部，如圖2所示。斷口未見明顯塑性變形，斷口表面局部磨損，裂紋源及擴展區平整隱約可見貝紋線，瞬斷區存在一較小區域的剪切唇，為韌性斷裂。宏觀特征可以判斷螺栓斷裂模式為疲勞斷裂。
圖2 螺栓斷口的宏觀形貌
截取螺栓樣品進行化學成分分析，結果如表1所示。化學成分符合GB/T3098.1—2010標準對10.9級螺栓的技術要求。
表1 螺栓樣品化學成分（質量分數） （%）
（3）微觀形貌分析
將螺栓斷口清洗后置于掃描電鏡下觀察，圖3為螺栓斷口的SEM形貌，裂紋源處螺紋根部表面存在大量龜裂形貌，裂紋源斷面局部磨損擦傷，未擦傷區域存在疲勞輝紋；螺栓斷口裂紋擴展區形貌，局部存在擦傷，未擦傷區可見疲勞輝紋；最終斷裂區形貌，為韌窩形貌。
圖3 螺栓斷口的SEM形貌
圖4~圖6為裂紋源區斷面拋光態及侵蝕態形貌，裂紋源及擴展區斷面較為平整。螺栓表面存在脫碳現象，裂紋源附近表面存在大量細小裂紋，大多數裂紋位于螺栓表面全脫碳層，全脫碳層深度約為10.19μm。斷口裂紋擴展區較平整，裂紋擴展方式為穿晶擴展。最終瞬斷區表面顯微形貌呈鋸齒狀。斷口源區的顯微組織為的鐵素體+回火索氏體，部分鐵素體呈針狀及沿晶分布。
圖4 裂紋源處拋光態形貌
圖5 裂紋源處侵蝕態形貌
圖6 螺栓裂紋源附近表面顯微形貌
根據GB/T 10561—2005，實際檢驗A法，對非金屬夾雜物進行評級，結果為：A0.5，B1.0，C0.5，D0.5，DS0，如圖7所示。基體顯微組織為回火索氏體，如圖8所示。
圖7 斷裂螺栓基體非金屬夾雜物形貌
圖8 斷裂螺栓基體顯微組織形貌
截取斷裂螺栓硬度試樣，進行維氏硬度測定，結果如表2所示。斷裂螺栓硬度符合GB/T 3098.1—2010對10.9 級螺栓的技術要求。
表2 維氏硬度檢測結果
螺栓的化學成分及心部硬度均符合GB/T 3098.1—2010對10.9 級螺栓的技術要求；斷口宏觀及微觀分析可判斷螺栓斷裂模式為疲勞斷裂，裂紋源位于螺栓中部螺桿與螺紋過渡處的第一個螺紋根部，裂紋源處螺紋根部表面存在大量龜裂形貌；金相檢驗表明螺栓表面存在脫碳現象，裂紋源附近表面存在大量微裂紋，微裂紋位于螺栓表面全脫碳層，斷口源區的顯微組織為的鐵素體+回火索氏體，基體顯微組織為回火索氏體。裂紋源螺紋根部未見加工變形組織，表明螺栓制造工藝為先加工螺紋后進行熱處理，熱處理過程中造成螺栓表面脫碳，表面形成一厚度約10.19μm的鐵素體層，鐵素體的存在降低了螺栓表面的疲勞強度，容易產生疲勞裂紋。螺栓的斷裂模式為疲勞斷裂，裂紋起源于螺栓桿部與螺紋過渡處的第一個螺紋根部，第一個螺紋根部存在較大應力集中，螺栓表面存在全脫碳現象，降低了螺栓表面的強度，在安裝使用過程中容易萌生裂紋，在交變應力作用下，裂紋以疲勞方式擴展，當裂紋擴展至剩余截面不能承受工作應力時，發生斷裂。螺栓表面存在完全脫碳層，降低了螺栓表面的疲勞強度，裂紋于螺栓桿部與螺紋過渡處第一個螺紋根部的應力集中處萌生，在交變應力作用下，裂紋以疲勞方式擴展，當裂紋擴展至剩余截面不能承受工作應力時，發生斷裂。建議在螺栓熱處理時進行氣體保護，防止螺栓表面脫碳，或先進行熱處理再進行螺紋的加工。
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作者：張澤岳
單位：迪合光電科技（上海）有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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