六角电镀螺栓断裂失效分析

六角电镀螺栓，规格为M8×12，性能等级为8.8级，材质为SWRCH35K. 表面电镀黄锌。

在安装时发生断裂，对2件断裂螺栓及部分未断裂螺栓进行分析。

13.3.1  试验过程与结果

对断裂件和同批完好件进行目视检查：该批螺栓为全螺纹螺栓，未断裂螺栓上的裂纹均为横向裂纹，多位于螺纹底部，个别在头下。

位于头下圆角处的裂纹，沿头下圆角横向分布，见图13-19。

对断裂件进行目视检查：断口起裂位置位于头下螺纹收尾的第一螺纹牙底，见图13-20。

断口正面形貌观察：断口断面右侧有一圆弧形区域，表面锈蚀严重，该区域约占整个断面面积的二分之一；断面左侧为一斜断面，斜断面为金属本色，见图13-21。

断面扫描电镜观察，可见圆弧断面与斜断面之间存在明显的反差，圆弧断面表面氧化严重，颜色较深，而斜断面为新鲜断口，颜色较浅，见图13-22。

图13-19 未断裂螺栓表面裂纹

图13-20   断裂螺栓断口形貌

图13-21  断口放大形貌

图13-22断面扫描电镜照片

断面的扫描能谱分析，圆弧断面氧含量较高且外侧距边缘1mm内有较多的锌，见图13-23。

断面圆弧区微观可见其表面氧化严重，见图13-24。

图13-23 断面能谱分析                   图13-24 断面圆弧区微观形貌

斜断面表面微观可见抛物线形韧窝，并呈螺旋分布，推断该螺栓是在扭转载荷下发生断裂，见图13-25。

图13-25 斜断面表面微观形貌

把同批未断裂但螺纹底部有横向裂纹的螺栓，进行金相检查，螺纹底部的横向裂纹走势刚劲，尾端尖细，两侧碳势正常，见图13-26。

图13-26   螺纹底部横向裂纹形貌

断裂螺栓化学分析，用直读光谱法对螺栓进行化学成分分析，其化学成分符合JIS G3507.1-2005标准中SWRCH35K钢的要求。

对断裂螺栓进行表面硬度梯度及心部硬度检测，检测结果为265～292 HV10，螺栓硬度在标准规定范围之内。

对断裂螺栓进行金相组织检查，金相组织为回火索氏体，见图13-27。

图13-27  螺栓金相组织

13.3.3  分析与讨论

螺栓断口分为两个区域，其中一个区域的弧形断面氧化严重，且边缘有电镀时渗入的锌，锌应来源于电镀过程，由此可推断在电镀前该处已有裂纹。

另外，在同批送检的未断裂螺栓上也发现横向裂纹，分别位于头下或牙底，裂纹走势刚劲，尾端尖细，两侧碳势正常，可确定为淬火裂纹。

该批故障螺栓的断裂和裂纹，都出现在螺栓应力集中的头下或牙底，这反映了裂纹与断裂都出现在螺栓的特定部位，与材料无关，也与加工和成型无关，主要与热处理的冷却有关。如果螺栓淬火时冷却过快，就会在应力集中的头下或牙底产生淬火裂纹。

该批故障螺栓为全螺纹，螺纹成型后，螺栓头下的应力集中大于牙底应力集中，淬火时形成的裂纹，头下裂纹比螺纹牙底裂纹深，在安装应力作用下，螺栓在头下断裂，螺纹牙底裂纹扩大。

由于螺栓头下淬火裂纹较深，使得螺栓的有效承载面积显著降低，其强度降低。满足不了螺栓安装要求。当安装扭矩稍大一点（超过其承载强度）时，螺栓便发生扭转断裂。

另外，螺栓螺纹牙底淬火裂纹较浅，有效承载面积降低不多，在安装扭矩作用下时，裂纹扩展但未断裂。

13.3.3  结论与启示

（1）由于螺栓存在淬火裂纹，在安装扭转载荷作用下发生断裂。

（2）由于螺栓头下和牙底存在应力集中，在热处理淬火冷却时，冷却过快使应力集中处形成淬火裂纹

（3）防止螺栓产生淬火裂纹，热处理淬火前采用去应力退火，或在淬火时控制淬火冷却速度。