六角头螺栓断裂试验分析

六角头螺栓，规格为M12×120，强度8.8级，材料40Cr ，镀黄锌。螺栓在安装过程中断裂，且破断时施拧的扭矩值很小，螺栓均断于头杆处。

试验过程与结果

断裂件表面为黄色，螺纹长度约为37mm，头杆处断裂，见图13-10。

图13-10   断裂螺栓形貌

六角头螺栓在靠近头下圆角处断裂，螺栓头部一侧断口和杆部一侧断口均呈现月牙状，为陈旧断口，有红褐色物质覆盖，区域断面比较平滑。

杆部一侧断口红褐色物质较多较致密，头部一侧断口红褐色物质相对较少。

头部和杆部断口非月牙状区域为新鲜断口，没有红褐色物质，具有金属光泽，部分区域有轻微磕碰痕迹。

杆部一侧的新鲜断口有部分塑性变形现象，见图13-11（a、b）所示。

                           a     a头部断口                     b    杆部断口

图13-11  断口宏观形貌

将断口试样进行超声波清洗后采用扫描电镜中观察：呈月牙状区域的断口断面上，靠近外园的大部分区域有一层致密的小颗粒附着，颗粒物质分布比较均匀，见图13-12。

呈月牙状靠近中心的部分区域，其颗粒附着物较少，晶界表面有腐蚀的痕迹，见图13-13，个别区域存在晶间裂纹，见图13-14。

非月牙状断口区域，无腐蚀和颗粒附着物，微观形貌为韧窝，韧窝大小不一，见图13-15。

图13-12 月牙状区域微观形貌             图13-13 晶界表面腐蚀迹象

图13-14 晶间裂纹形貌               图13-15 断口韧窝形貌

使用能谱仪对断面进行成分检测，在呈月牙状区域断口表面上的颗粒附着物，主要化学成分为铁、碳、锌、氧成分，还有少量的硅，其他成分比较少，见图13-16。

在非月牙状区域断口表面的主要成分为铁、碳、氧成分，见图13-17。

螺栓化学成分分析，将截取段进行化学成分分析，其螺栓头部、杆部、螺纹部分的化学成分分析结果基本相同，螺栓材料40Cr。

将断件杆部沿轴向剖开进行硬度梯度检测，硬度梯度从距离杆部表面0.05mm处开始，每隔0.5mm进行一个显微硬度检测，检测结果为280～305HV10，硬度值比较平稳，没有特别的硬度跳动。  

图13-16月牙状区域断面成分截图        图13-17 非月牙状区域断面成分截图

并对断裂螺栓杆部和螺纹处进行组织检查，组织均为均匀的回火索氏体组织，没有明显的脱碳和渗碳现象，见图13- 18。

图13-18   螺栓回火索氏体组织          

  分析与讨论

断口宏观和微观检查，断口两个区域的断裂机理不完全一样，呈月牙状区域的断口氧化腐蚀比较严重，存在晶间裂纹，为脆性断裂。非月牙状区域为新鲜断口，无锈蚀，微观形貌主要以韧窝为主，断裂形式为韧性断裂。

断口进行能谱分析，断口呈月牙状区域中有锌成分存在，而非月牙状区域没有检测到锌成分，说明断口的月牙状区域在表面处理前已存在，镀锌时镀锌溶液深入裂纹内，未清洗干净成为一层致密的小颗粒状附着在裂纹面上。

该裂纹产生于表面处理前，裂纹的产生有3种情况：原材料裂纹？头部成型裂纹？淬火裂纹？

原材料裂纹绝大多数都为纵向裂纹，个别横向裂纹出现在原材料的料头，有横向裂纹的材料，投产后裂纹应出现在产品的任意部分，而不是在头杆处。该螺栓横向裂纹只出现在头杆处，可排除原材料裂纹因素。

螺栓为冷镦头部成型，冷镦头部成型的裂纹基本上发生于头部，头部边沿裂纹、头部开裂等，头部成型时不会在头杆处形成横向裂纹，也可排除冷镦头部成型在头杆处形成横向裂纹的因素。

该螺栓为薄头螺栓，由于头部厚度小，造成头部变形较大，较大的变形使头杆处残余应力增大；头杆处又是螺栓的应力集中处，在淬火冷却时容易形成淬火裂纹。

该裂纹为横向裂纹，并产生于螺栓应力集中的头杆处，判定为淬火裂纹。由于该螺栓存在横向的淬火裂纹，而且横向淬裂纹较深，使得螺栓抗拉强度下降，导致安装时，在不大的安装应力作用下螺栓发生断裂失效。

结论与启示

（1）由于该螺栓存在淬火裂纹，使得螺栓抗拉强度下降，导致安装时在不大的安装应力作用下螺栓发生断裂失效。

（2）头部变形较大的螺栓，头杆处残余应力增大，头杆处又是应力集中处，在淬火冷却时容易形成淬火裂纹。因此，建议在热处理前增加一次去应力退火，消除加工的残余应力，防止在热处理过程中应力集中处生产淬火裂纹。