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可靠性测试就是在产品开发/验证阶段, 对其提供各种条件之温湿等环境以及各种条件之振动、冲击或掉落等模拟测试,以评估是否有电子组件失效、焊点异常、结构损坏、 功能失效、外观异常等。
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【失效分析】螺栓装配过程中断裂失效

04月,11,2024 | 浏览次数：27822


       01.测试背景

       某8.8级高强螺栓在汽车減速器上装配过程中发生断裂，具体断裂参数不详，断裂螺栓如下图。客户送检失效样品进行检测分析，实验室对不良样品进行宏观观察、断口微观分析、夹杂物分析、金相组织分析、化学成分及硬度分析，以期找出断裂失效原因。
不良样品外观照片
不良样品外观照片
      02.样品信息
      螺栓材质为SWRCH35K，其制作工艺为冷镦→搓牙→清洗→热处理→镀锌处理，出货给汽车零组件厂进行组装使用。

       03.测试项目、方法及设备信息

测试项目 测试设备 测试方法
断口宏观观察 3D显微镜（VHX-600E） 按设备商方法
断口微观形貌及成分分析 SEM（SU1510）&EDS（EX250） 加速电压15kV
夹杂物分析 金相显微镜（Zciss Imager.A2m） GB/T 10561-2005
金相组织 金相显微镜（Zciss Imager.A2m）
 GB/T 13298-2015
化学成分 Spark 光谱分析仪（SPECTRO MAXx） ASTM E 415-2021
维氏硬度 维氏硬度计（Mitutoyo） JIS Z 2244-2020

       测试环境：(23±5)℃，(40~80)%RH
       04.测试结果

       4.1|断口宏观观察

不良样品宏观观察照片

不良样品宏观观察照片
       小结：对断裂螺栓进行宏观观察发现，断裂位置存在轻微颈缩现象，且断面与螺栓轴向呈近似45°方向，为典型的扭转剪切断口；不良样品螺牙根部镀锌层明显开裂，且螺帽位置也有明显的变形现象，说明螺栓断裂前受力较大；断面A位置呈深灰色，推测为裂纹源，位于螺纹近螺牙根部， B区域呈灰色，有明显的扩展台阶，为裂纹扩展区，C区域为浅灰色，为断口瞬断区。

       4.2|断口微观形貌及成分分析


EDS成分测试结果 (wt%)

A-200X C O Fe Tatal
1 7.47 6.16 86.37 100.00
2 2.21 / 97.79 100.00
3 2.05 / 97.95 100.00

      小结：断口A区域为解理河流花样，部分位置存在明显铁锈，B区域存在明显的扩展台阶，微观形貌为细小的韧窝形貌，C区域瞬断区为典型的等轴韧窝形貌，断面整体为韧性断裂，整个断口表面未发现其他异常元素存在。EDS成分数据为半定量分析，结果仅供参考，所给成分为质量百分比。

       4.3|夹杂物分析 

       小结：螺栓左右两侧的螺牙根部均无明显裂纹存在，螺牙根部镀锌层有明显破坏痕迹，螺栓基体中并无较大的气孔或夹杂物存在，根据GB/T 10561-2023对基体中非金属夹杂物进行评级，基体夹杂物为D类，级别为2.0级。

       4.4|金相组织


      小结：从断口位置金相组织可以看出，断口处晶粒明显沿一定方向被拉长，说明该位置断裂前有明显受力情况；螺栓芯部与螺牙组织相对均匀，均为回火索氏体，说明材料经过调质处理，参照GB/T 3098.1-2010，断裂螺栓的金相组织符合要求。

        4.5|化学成分测试                                                                              Unit：%

元素 C Si Mn P S Cr Ni Cu Fe
点1 0.349 0.100 0.713 0.003 0.002 0.053 0.029 0.058 余量
点2 0.342 0.100
 0.705 0.003 0.002
 0.053
 0.029
 0.058
 余量
平均值 0.345 0.100
 0.709 0.003 0.002
 0.053
 0.029
 0.058
 余量

SWRCH35K（JIS G 3507-2010）                                                          Unit：%

C Si Mn P S Cr Ni Cu
0.32-0.38 0.10-0.35 0.60-0.90 ≤0.030 ≤0.035
 ≤0.20
 ≤0.20
 ≤0.30

        小结：以上所给成分均为质量百分比；参照JIS G 3507-2010，断裂螺栓化学成分符合SWRCH35K的规格要求。

       4.6|硬度测试


       小结：以上所给硬度值均为三点测量结果之平均值；从硬度测量结果可以看出，螺栓芯部与表面硬度无明显差异；参照GB/T3098.1-2010，断裂螺栓的硬度符合8.8级高强螺栓规格要求。
       05.讨论与分析
       本失效案件中，断裂螺栓的夹杂物、金相组织、化学成分、材质硬度均满足技术规格要求，且螺牙位置无明显微裂纹存在，说明螺栓的断裂与材质、热处理及加工工艺无关。螺帽有明显变形，螺牙根部镀层开裂，断口位置金相组织中晶粒被明显拉长变形，说明螺栓在断裂前有明显受力情况。
       06.结论与建议
      结论：推测该螺栓为在装配过程中受较大外力作用，引起螺牙根部载荷应力集中，最终导致螺栓发生的韧性断裂失效。

       建议：建议客户在螺栓装配过程中严格按照SOP操作，避免螺栓受力不均或过载导致其断裂失效。

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