案例一螺栓失效分析

案例一螺栓断裂失效分析某螺栓生产厂家生产的螺栓在用户使用过程中发生断裂，为分析螺栓断裂原因，进行了化学成分测试、金相组织观察、螺栓断口观察、能谱测试以及硬度测试等，并对螺栓断裂做出了结论。1、化学成分分析螺栓成分分析采用成分分析仪，正常断裂、异常断裂螺栓成分见表1，从表中可以看出正常断裂螺栓与异常断裂螺栓成分都符合GB/T3077-1999《合金结构钢》中对45Mn2钢的要求。表1材料化学成分分析结果(质量分数，%)CSiMnPSCrNiFe正常断裂螺栓0.4210.2501.4980.0110.0010.0780.021余量异常断裂螺栓0.4250.2691.5340.011<0.0010.0680.019余量标准值0.42〜0.490.17〜0.371.4〜1.82、金相组织分析取平行于断裂截面的试样，打磨、抛光并观察其组织形貌。下图1(a)、1(b)所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓的金相组织形貌，从图中可以看出螺栓金相组织均为回火马氏体。(a)正常断裂螺栓； (b)异常断裂螺栓图1螺栓金相组织形貌3、宏观断口形貌分析正常断裂螺栓、异常断裂螺栓宏观断口形貌如图2(a)、2(b)所示。由图可知两个螺栓均从中心起裂，裂纹向四周扩展。正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面都具有裂纹源、扩展区、瞬断区三个部分，正常断裂螺栓扩展区面积比异常断裂螺栓大，瞬断区面积则比异常断裂螺栓小。这与异常断裂螺栓应力(165KN)比正常断裂螺栓断裂应力(215KN)小相吻合。同时正常断裂螺栓断裂截面较为平整，异常断裂螺栓在裂纹源附近呈凹陷状。(a)正常断裂螺栓； (b)异常断裂螺栓图2螺栓断裂截面4、微观断口形貌分析图3所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面裂纹源附近的微观形貌，从图中可以看出正常断裂螺栓组织较为平整，而异常断裂螺栓中心附近可见含有夹杂物的微孔。图4所示为夹杂物所在位置，图5为夹杂物能谱分析图，表2为其对应的元素分析表，从表中可以看出夹杂物中主要元素为O、Si，并存在少量的Mg、Al、Ca元素，其中O元素的含量很大，故较杂物主要为SiO2，存在少量的MgO、Al2O3、CaO。MO

（a）、（b）为正常断裂螺栓；（c）、（d）为异常断裂螺栓；（d）图中三角形标记为能谱点

图3螺栓断口显微形貌图4夹杂物能谱分析表2夹杂物能谱测试化学成分元素COMgAlSiCaFe重量百分比2.9539.482.365.8422.102.1025.18原子百分比5.6857.172.255.0218.231.2110.445、显微硬度分析取平行于断裂界面的试样，磨样、抛光并从表层到中心每隔1mm测量其显微硬度。正常断裂螺栓与异常断裂螺栓的显微硬度值如表3所示，从表3中可以看出正常断裂螺栓和异常断裂螺栓从表层到中心的显微硬度都没有明显的差别。表3显微硬度值（单位：HV）1mm2mm3mm4mm5mm6mm7mm8mm9mm正常断裂螺栓376359366370353384360359342异常断裂螺栓3583443503603583453583583576、结论（1） 正常断裂螺栓和异常断裂螺栓材料成分45Mn2符合标准要求，金相组织与其所使用热处理工艺正常组织一致，两螺栓硬度分布和大小符合工艺