螺栓失效的原因及預(yù)防

掉頭，是螺栓失效的常見形式，也是一種比較嚴(yán)重的失效形式。根據(jù)螺栓掉頭最根本的原因，主要從頭桿結(jié)合處應(yīng)力集中、墊圈面邊沿應(yīng)力集中、鍛造裂紋、氫脆斷裂、設(shè)計與選材5個方面分析。

（1）失效案例。圖 1、圖 2 是淬火裂紋導(dǎo)致螺栓掉頭最典型的案例，圖中斷口黑色區(qū)域就是明顯的淬火裂紋特征。

（2）原因分析。高強度螺栓在淬火冷卻時，鋼中的奧氏體組織向馬氏體組織轉(zhuǎn)變，體積增大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力由內(nèi)向外膨脹，當(dāng)螺栓截面存在面積急劇變化的尖角時，便會在應(yīng)力釋放過程中，尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，而當(dāng)尖角處的應(yīng)力集中大于表面淬火狀態(tài)的馬氏體強度時，便出現(xiàn)開裂。造成圖 1、圖 2 螺栓掉頭的根本原因是螺栓頭下圓弧 r 太小或不規(guī)范，在淬火過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，進而形成淬火裂紋。 

（3）預(yù)防措施。對于高強度螺栓來說，頭下圓弧 r 十分重要，1976 版國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 30—76）規(guī)定 r 為具體值，但 從 1986 版開始，螺栓國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頭下圓弧 r 為最小值。 

對應(yīng)于螺栓頭下圓弧 r，不論是冷鐓還是熱鍛，在螺栓實際生產(chǎn)過程中重點控制的應(yīng)該是螺栓鐓鍛用下模的 r，一是有意識加大 r 值，二是保證 r 圓弧過渡規(guī)范，而且 在模具加工過程中絕對不能出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象（如圖 3）。

（1）失效案例。圖 4 中，黑色區(qū)域為原始淬火裂紋，灰色區(qū)域為受力后二次開裂。 

（2）原因分析。將該類問題螺栓六角頭縱向剖開，剖面如圖 5所示，在六角頭墊圈面邊沿的 A、B 處有明顯的裂紋，說明螺栓六角頭墊圈面邊沿存在應(yīng)力集中，在淬火時形成裂紋，這種裂紋最終將導(dǎo)致螺栓掉頭。

裂紋的金相組織形貌如圖6；磁粉探傷照片如圖 7，標(biāo)識圈內(nèi)所示墊圈面邊沿有明顯的磁粉堆積。

（3）預(yù)防措施。如圖 3 （同上）所示，該類失效的有效控制措施就是適當(dāng)加大并規(guī)范熱鍛下模 R0.5 圓弧過渡及圖中R0.2與R0.5之間的斜度。 

該類失效在 M56 及以上大直徑規(guī)格螺栓生產(chǎn)中容 易發(fā)生，對小規(guī)格螺栓，由于墊圈面高度較?。磮D 3 中的尺寸C）不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此很少發(fā)生。 

為避免上述兩類失效形式，熱處理后進行 100%磁粉 探傷是必不可少的，因為在螺栓生產(chǎn)過程中，裂紋不可能絕對避免。 

（1）失效案例。失效案例如圖 8 所示，該案例螺栓斷口沒有明顯的淬火裂紋特征。 

（2）原因分析。通過宏觀、金相、力學(xué)性能、斷口、能譜等綜合檢測分析，認為該案例失效原因是：螺栓加熱時未熱透，鍛造過程中變形抗力與變形速率不匹配，在六角頭芯部形成裂紋，且裂紋經(jīng)調(diào)質(zhì)處理和使用過程中進一步擴展，最終斷裂。斷口宏觀形貌如圖 9。 

（3）預(yù)防措施。該案例主要發(fā)生在大直徑螺栓上，預(yù)防措施與控制辦法是采用紅外線自動控溫技術(shù)，在保證不發(fā)生過熱、過燒的前提下使棒料加熱充分而且均勻，特別要加強對加熱棒料的首件進行有效控制。

（1）失效案例。失效案例如圖10所示。該螺栓直徑規(guī)格為M36，性能等級為8.8級，材質(zhì)為 42CrMo，表面處理為鍍鋅，斷裂發(fā)生在安裝后。

（2）原因分析。宏、微觀形貌。螺栓斷口宏觀形貌如圖11，斷口源區(qū) （A 區(qū)）的宏、微觀形貌如圖12。

脫碳試驗。按照GB/T 3098.1-2010，對螺紋部分進行金相法脫碳試驗，在距離螺桿末端1d處沿軸心線取縱截面試樣，磨光、拋光及腐蝕后觀察，形貌見圖 13，表面存在不完全脫碳層，螺紋未脫碳層高度E值為1.411mm，高于標(biāo)準(zhǔn)要求的最低值 1.227mm。

硬度試驗。在源區(qū)附近截面處由表向里進行硬度試驗，硬度逐漸增加，距表面 0.1mm 處硬度 256HV（23.0HRC）,距表面 0.3mm 處硬度 332HV（34.0HRC）， 距表面 0.8mm 處硬度 38.5HRC，接近10.9級螺栓硬度上限值。近表面硬度較低與表面不完全脫碳有關(guān)。 

化學(xué)成分分析。采用直讀光譜儀對斷裂螺栓進行化 學(xué)成分分析，結(jié)果符合 GB/T 3077—2015 中 42CrMo要求。采用惰性氣體熔融熱導(dǎo)法測定斷裂螺栓氫含量，結(jié)果為1.2ppm。 

人為斷口觀察。在斷裂螺栓桿部取縱向光滑試樣，采用手動敲擊方式獲取模擬斷口進行電鏡觀察，微觀形貌為韌窩特征，見圖 14。

經(jīng)上述斷口觀察、金相分析、硬度試驗、化學(xué)成分分 析等，認為該案例為氫脆延遲斷裂。螺栓在服役較短時間內(nèi)發(fā)生了斷裂，所以氫的來源應(yīng)該是在酸洗、電鍍等工藝中吸收，如果氫的來源是在服役環(huán)境中緩慢進入，那么螺 栓應(yīng)在服役較長時間后才可能發(fā)生斷裂。 

（3）預(yù)防措施。首先，高強度螺栓應(yīng)盡可能控制硬度上 限，較高的硬度增加了氫脆敏感性；其次，高強度螺栓（特別是12.9級）盡可能避免使用電鍍工藝，從而避免因酸洗、電鍍吸氫導(dǎo)致氫脆。

（1）失效案例。該案例為 GB/T 14—2013《扁圓頭方頸螺 栓》，性能等級 4.8 級，在安裝使用過程中發(fā)生掉頭，見圖 15。 

（2）原因分析。首先從宏觀形貌看，第一感覺認為是 頭部變形問題導(dǎo)致掉頭，那我們再看實物拉伸試驗，如圖16。

從實物拉伸試驗結(jié)果看，斷裂全部發(fā)生在螺紋部 位，而且抗拉強度全部符合 GB/T 3098.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，說明螺栓掉頭并不是螺栓本身質(zhì)量問題所致。當(dāng)然，考慮頭部變形，使用了塑性比較好的 08Al 材料，這與實物拉伸試驗抗拉強度較低相吻合。 

后改用 8.8 級，再沒有發(fā)生過掉頭事件，這就說明 該案例屬于螺栓設(shè)計、選用的性能等級偏低所致；另外在螺栓實際使用過程中，扁圓頭下可能存在剪切。

（3）預(yù)防措施。在緊固件結(jié)構(gòu)型式、性能等級的設(shè)計、選擇上應(yīng)綜合考慮使用環(huán)境、受力情況等，堅持科學(xué)、經(jīng)濟、合理的原則。 

當(dāng)然，對頭部變形比較大的螺栓來說，如何設(shè)計冷鐓模 具初沖，保證冷鐓變形過程中合理的金屬流線十分重要。 

（1） 失效案例。該螺栓規(guī)格為 M36×225，性能等級10.9級，材質(zhì) 42CrMoA。斷裂螺栓外觀、斷口宏觀形貌如圖17、圖18；斷裂螺栓的另一段旋合在設(shè)備基體內(nèi)螺紋孔中，經(jīng)專業(yè)鉗工采取特殊手段艱難取出。

（2）原因分析。斷裂螺栓經(jīng)化學(xué)成分、低倍、晶粒度、非金屬夾雜物、顯微組織、脫碳、機械性能等全面檢測，符 合 GB/T 3077—2015、GB/T 3098.1—2010 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其中，抗拉強度 Rm 為 1068MPa。 

看了圖18的斷口宏觀形貌后，很多人會簡單地判定 為該案例是由于材料內(nèi)部存在裂紋，螺栓由材料內(nèi)部裂 紋缺陷引起失效，其實不然。

這是一例典型的超擰過載斷裂案例，圖17中 A、B、C 三處有明顯的扳擰擠壓痕跡。據(jù)現(xiàn)場斷裂螺栓拆取人員介紹，設(shè)備基體的光孔與螺孔嚴(yán)重不同軸，兩孔軸心線偏離至少2mm。另外，在螺栓抗拉強度1068MPa的情況下，斷裂部位縮頸明顯（如圖 19），充分說明了過載的嚴(yán)重程度。

綜上分析，在螺孔與光孔嚴(yán)重不同軸的情況下安裝，當(dāng)螺栓無螺紋桿部與光孔嚴(yán)重干涉無法擰緊 時強行扳擰， 使螺栓承受過載的拉伸、扳擰扭力以 及干涉剪切等綜合作用，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。 

（3）預(yù)防措施。螺栓過載斷裂的案例比較多，預(yù)防措施 應(yīng)根據(jù)具體的原因而定。就本案例而言，對法蘭連接用螺栓應(yīng)采用十字交叉法多步緊固的方法，盡可能減小螺孔與光孔同軸度的累計誤差。

（1）失效案例。該案例為某風(fēng)力發(fā)電機組因塔筒連接 螺栓發(fā)生斷裂導(dǎo)致了倒塌事故，斷裂螺栓為：直徑規(guī)格M36、性能等級10.9級材質(zhì) 42CrMoA。

（2）原因分析。現(xiàn)場勘察時發(fā)現(xiàn)有 4 顆螺栓的斷口上 存在與螺栓軸向大致垂直的斷裂面，為首斷裂件 （如圖 20）；其他斷裂螺栓斷口均比較粗糙，存在明顯的彎曲變形和塑性變形特征，為后斷裂件。

觀察圖 20 螺栓斷口，特征基本相似，斷口上均包含 了兩個特征比較明顯的區(qū)域，一部分斷口大致與螺栓軸線垂直，相對比較平坦、細膩，為斷裂起始區(qū)域；另一部分斷口較為粗糙，斷面大致與螺栓軸線成 45°角，具有剪切特征，為最后的一次性瞬斷區(qū)域。 

掃描電鏡形貌觀察結(jié)果顯示，4個斷口上相對平坦 的區(qū)域均存在疲勞輝紋，與螺栓軸線成 45°角的區(qū)域斷口形貌為韌窩。可見該案例螺栓屬于疲勞斷裂。

（3）預(yù)防措施。螺栓的疲勞斷裂一般都與預(yù)緊力或螺 栓松動有關(guān)。導(dǎo)致螺栓松動的原因較多，如：設(shè)備運行過程中的振動、高低載荷變化、沖擊，以及安裝時預(yù)緊力過低未采取適當(dāng)?shù)姆浪纱胧?、裝配不當(dāng)?shù)取?/span>所以， 預(yù)防螺栓疲勞斷裂的措施關(guān)鍵在于嚴(yán)格執(zhí)行安裝規(guī)范。

（1）失效案例。該案例螺栓為：直徑規(guī)格 M36、性能等級10.9、材質(zhì)42CrMoA。生產(chǎn)工藝流程為：原材料退火→ 鋸料→平頭倒角→潤滑→縮徑→熱鍛→六角頭倒角→調(diào) 質(zhì)處理→校直→滾絲→表面處理。 

斷裂螺栓宏觀形貌如圖21，斷口宏觀形貌如圖 22。

（2）原因分析。對材料化學(xué)成分、螺栓機械性能進行全面檢測，均符合GB/T 3077—2015、GB/T 3098.1— 2010 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 

斷口宏觀形貌如圖22， 將斷口分為 A、B、C、D 四個區(qū)域分析，可見 A、B、C 三個區(qū)域斷面平齊，有明顯放射線，收斂于 A 區(qū)；D 區(qū)與螺 栓軸線大致呈 45°角，為剪切唇區(qū)。裂紋起源和擴展方向如圖中箭頭所示。 

斷口金相試樣低倍形貌如圖 23、圖 24 所示。

圖25為斷裂螺栓末端縱截面取樣位置及縱截面宏觀形 貌，可見在距離末端第 3 扣螺紋對應(yīng)位置內(nèi)部存在橫向裂紋。

螺栓斷裂發(fā)生在螺紋部分，而且螺栓螺紋坯徑是通過縮徑完成，再從斷口金相分析來看，這是典型的竹節(jié)狀縮 徑裂紋特征，可能造成縮徑裂紋的直接原因是材料退火不 充分、不均勻。

螺栓縮徑是一個冷變形過程，對合金結(jié)構(gòu)鋼（35VB 除外，因為 35VB 是免退火材料，具有良好的冷變形性能）和含碳量在 0.30%以上的碳素結(jié)構(gòu)鋼而言，縮徑之前應(yīng)對原材料進行球化退火處理， 以便得到強度、硬度較低，塑性較好的粒狀珠光體。 

如果原材料退火不充分、不均勻，原材料的強度、硬度較高，在帶狀分布的片狀珠光體組織狀態(tài)下進行縮徑，就會 產(chǎn)生較大的變形應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力作用下在材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋。后期進行淬火處理時，由于過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生相變應(yīng)力，中心區(qū)微裂紋勢必會向四周擴展，同時，內(nèi)裂紋被擠壓，張開，形成圖25所示“月牙形”內(nèi)裂紋。 

（3）預(yù)防措施。對該類失效形式最直接的預(yù)防措施是 改縮徑為車削加工。當(dāng)然，考慮生產(chǎn)效率因素要采用縮徑工藝，以及采用冷拔、冷鐓作業(yè)時，必須加強原材料的退火工序控制，而且保證退火的充分性、均勻性。

（1）失效案例。滑扣，是螺栓比較常見的失效形式，案例較多，這里不再一一列舉。 

（2）原因分析。就螺栓本身質(zhì)量來說，螺紋脫碳是引起螺栓滑扣的最主要原因，但隨著近20年來緊固件技術(shù)的進步，高強度螺栓普遍采用有氣氛保護的托輥式網(wǎng)帶爐熱處理生產(chǎn)線，并且螺紋加工都在調(diào)質(zhì)熱處理之后，這就有效地解決了螺紋脫碳問題。 

所以，目前所見螺栓滑扣大都與安裝施工有關(guān)系；具體要根據(jù)實際失效形式以及安裝施工過程進行分析。2010年9月，筆者帶著緊固件常見失效問題，歷時一個月時間走訪了國內(nèi)5個省份近10個風(fēng)力發(fā)電機組安裝現(xiàn)場，其中在一個現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)螺栓涂抹二硫化鉬的方式是：將螺栓全部立起來擺放在塔筒周圍的地面上，然后涂抹二硫化鉬，可是，滿地的螺栓，一不小心就將螺栓打倒，地面上有大量的砂粒， 砂粒粘附在螺栓螺紋部分的二硫化鉬上，安裝過程中會發(fā)生啥情況可想而知。 

（3）預(yù)防措施。螺栓滑扣失效，對螺栓制造者來說，重點是采取熱 處理過程氣氛保護、先熱處理后滾壓螺紋等工藝手段防止螺紋脫碳；而對螺栓使用者來說，重點是嚴(yán)格按照安裝施工規(guī)范作業(yè)并加強對現(xiàn)場螺栓的保護。 

對碳鋼緊固件來說，螺紋發(fā)生咬死的主要原因是螺 紋毛刺等缺陷。下面重點就不銹鋼螺紋咬死進行分析。 

（1）失效案例。螺紋咬死后剖切開的形貌如圖 26 所示。 

（2）原因分析。為了探明不銹鋼螺栓、螺母螺紋發(fā)生咬死的原因，利用線切割將發(fā)生咬死的試樣沿螺栓軸線切開，對咬死后螺牙損傷形貌進行觀察，內(nèi)外螺紋連接處在激光共聚焦顯微鏡下的形貌如圖 27，可見，內(nèi)外螺牙均發(fā)生嚴(yán)重磨損，有的螺牙在高度方向上磨掉約 70%，并且磨屑在配 合螺牙間堆積，成為一個整體。

將剖切試樣的螺栓部分與螺母部分分開離，螺栓和螺母的典型損傷形貌如圖 28。可見，螺栓與螺母都發(fā)生了嚴(yán)重磨損，螺牙存在撕裂現(xiàn)象，磨屑在螺牙間堆積，對螺紋的旋入和旋出產(chǎn)生了阻塞作用，使得螺紋徹底咬死。

將剖切試樣的螺栓部分與螺母部分分開離，螺栓和螺母的典型損傷形貌如圖 28。可見，螺栓與螺母都發(fā)生了嚴(yán)重磨損，螺牙存在撕裂現(xiàn)象，磨屑在螺牙間堆積，對螺紋的旋入和旋出產(chǎn)生了阻塞作用，使得螺紋徹底咬死。

快速預(yù)緊和快速拆卸引起的螺牙間高溫導(dǎo)致不銹鋼螺牙表面發(fā)生嚴(yán)重黏著磨損；黏著磨損產(chǎn)生的磨屑在螺牙間堆積，阻礙了螺牙的旋合過程并最終引起咬死。

（3）預(yù)防措施。減小預(yù)緊和拆卸速度可降低螺牙間溫度，從而減輕黏著磨損，降低不銹鋼螺紋發(fā)生咬死的概率。涂膠可通過降低螺牙面的摩擦系數(shù)降低螺牙間溫度，從而防止不銹鋼螺紋連接發(fā)生咬死的現(xiàn)象。