双头螺栓断裂失效分析_材料失效分析

【失效分析】双头螺栓断裂失效分析

03月,27,2024 | 浏览次数：357

双头螺栓断裂失效分析

01.测试背景

客户悬挂连接螺栓（双头螺栓）见图1，在装配过程中用定值扭力扳手（70Nm）打扭力时，未达额定值即发生早期断裂。根据客户要求，对送检断裂螺栓进行失效分析测试，以期找出螺栓断裂原因。

图1-断裂悬挂连接螺栓样品图

02.样品信息
螺栓材质为45钢，加工工艺为：原材裁切→冷镦成型→机加工螺纹→热处理（淬火+回火）→表面发黑处理。

03.测试流程、项目及设备信息

分析流程	测试项目	测试设备
断口表面形貌观察	宏观形貌观察	3D显微镜
断口表面形貌观察	微观形貌观察	扫描电子显微镜（SEM）
截面切片观察	截面形貌及金相组织	金相显微镜
材质成分分析	化学成分分析	火花原子光谱仪
材质硬度分析	维氏硬度	维氏硬度计
结果	结果分析及改善建议	/

04.测试结果分析

4.1宏观形貌观察

断裂位置为六角螺帽与铸铝支架侧螺柱端连接处，螺柱端断口呈笔尖状，螺帽端断口呈锥形凹坑；断面整体呈灰黑色，裂纹起源于螺帽端芯部（A位置），沿中部（B位置）扩展至螺帽与螺柱连接处表面（C位置）。

图2-断口宏观形貌图

4.2微观形貌观察及成分分析

裂纹源A位置可观察到较多气孔和一些小韧窝；扩展区B位置可观察到一些剪切韧窝；终断区C位置存在一些磨损（因位置靠近边缘，可能为断裂后人为磨损），部分位置可观察到细小的等轴韧窝，断面整体为韧性断裂。

图3-断口微观形貌图

图3-断口微观形貌图

4.3截面切片观察
1.断裂螺栓螺帽芯部（位置Ⅰ）、裂纹源处（位置Ⅱ）和螺柱端横截面均可观察到大小不一的气孔缺陷（部分气孔边缘存在微裂纹），观测面最大气孔尺寸长达632μm。
2.螺帽端芯部（位置Ⅰ）组织为珠光体+沿晶界分布的铁素体，强度较低；螺帽端表面（位置Ⅲ）组织为回火索氏体。

图4-断口截面切片+金相组织图

图4-断口截面切片+金相组织图

4.4基材成分分析

悬挂连接螺栓材质成分见表1，符合GB/T699-2015中45钢成分规格。

测试点及规格	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Fe
1	0.460	0.174	0.680	0.021	0.006	0.039	0.006	0.004	余量
2	0.440	0.173	0.670	0.019	0.005	0.039	0.007	0.004
平均值	0.450	0.173	0.675	0.020	0.006	0.039	0.006	0.004
45（GB/T 699-2015）	0.42-0.50	0.17-0.37	0.50-0.80	≤0.035	≤0.035	≤0.25	≤0.30	≤0.25	余量

表1-基材成分结果表（%，质量百分比）

4.5材质硬度分析

参照客户所给硬度规格，螺帽端芯部硬度偏低，未达到客户规格要求。

05.结论与建议
结论：
综上所述：悬挂连接螺栓由于螺帽端芯部存在较大气孔、气孔边缘存在微裂纹等缺陷，伴随芯部组织不均匀、硬度偏低等异常；螺栓在预紧过程中承受轴向应力，在芯部缺陷处产生应力集中，超过芯部材料强度极限，形成裂纹源，进而向外扩展发生断裂。
建议：
1.加强悬挂连接螺栓的原材料品质管控，对来料是否有缺陷进行严格的检查，保证内部质量；

2.改善热处理工艺（适当延长淬火保温时间），保证悬挂连接螺栓芯部和表面的组织及硬度的均匀性一致。

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