螺絲失效分析的檢測方法與標準

液壓缸蓋緊固用螺釘在進行試驗時發(fā)生斷裂。采用外觀檢查、斷口宏微觀觀察、金相檢驗和硬度測試等方法對兩枚斷裂失效螺釘進行了分析。結(jié)果表明，螺釘A 失效性質(zhì)為過載斷裂，其斷裂原因主要與裝配時擰緊力過大從而產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)剪切開裂損傷有關(guān)；螺釘B失效性質(zhì)為疲勞斷裂，其斷裂原因主要與螺釘B 表面存在脫碳層導(dǎo)致疲勞強度大幅降低有關(guān)，且在裝配時發(fā)生傾斜，螺釘一側(cè)存在附加拉應(yīng)力，對疲勞失效也有一定的促進作用。下面我們就來看看螺絲失效分析的檢測方法以及標準！

建議嚴格控制熱處理工藝和裝配過程力矩大小，并加強螺釘孔和螺釘?shù)募庸ぞ瓤刂啤?0Cr17Ni4Cu4Nb 鋼是在Cr17 型不銹鋼基礎(chǔ)上，加入Cu、Nb 等強化元素研制的一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，因0Cr17Ni4Cu4Nb 鋼含碳量較低，耐腐蝕性和可焊性均優(yōu)于馬氏體型不銹鋼，多用作既要求耐弱酸、堿腐蝕又要求高強度的部件，如緊固件、傳動裝置等零件。螺釘作為重要的緊固件，其失效事故發(fā)生較多，造成的危害很大。

某液壓缸蓋緊固用螺釘在加壓進行試驗2 h 后，檢查發(fā)現(xiàn)分布于缸蓋四個角的螺釘之一斷裂。之前在同類型的裝置和試驗過程中也出現(xiàn)過一個螺釘斷裂的現(xiàn)象。螺釘A 材料牌號為0Cr17Ni4Cu4Nb 鋼，緊固缸蓋承受22 MPa 液壓。螺釘B 材料牌號為30CrMnSiA鋼，緊固缸蓋承受24 MPa 液壓，工作環(huán)境溫度均為常溫。通過對斷裂螺釘進行外觀及斷口宏微觀觀察、顯微組織檢查和硬度測試，以確定螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)和原因，并給出了改進措施。

1、試驗過程與結(jié)果

1.1、外觀及斷口宏觀觀察 斷裂螺釘A 釘身的外觀形貌見圖1( a) 。釘身在靠近釘頭的螺紋根部發(fā)生斷裂，且斷口較平整，未見明顯塑性變形。螺釘斷口根據(jù)表面特征不同可以分為兩個區(qū)域，斷口1 區(qū)和2 區(qū)，見圖1 ( b) ，其中1 區(qū)較粗糙，呈暗灰色近圓形，分布在斷口的一側(cè)并與斷口相切，相切處螺紋亦發(fā)生斷裂; 2 區(qū)較光滑，呈亮灰色月牙形，環(huán)繞在1 區(qū)外圍。 斷裂螺釘B 的外觀形貌見圖2( a) 。

釘身在緊靠釘頭的第一道螺紋和第二道螺紋之間發(fā)生斷裂，未見明顯塑性變形。釘頭的下端面斷口圍有環(huán)形壓痕。釘身表面鍍層情況較好，整體呈金黃色。螺釘斷口和釘頭壓痕形貌見圖2( b) 。螺釘斷面位于螺紋牙底，基本垂直釘身，斷口由兩部分組成: 呈暗灰色的粗糙區(qū)，所占比例約為斷口20%; 銀灰色的光滑區(qū)，所占比例約為斷口的80%。其中，平坦區(qū)表面可見明顯的弧線，弧線圓心指向粗糙區(qū)。

圖1 螺釘A 外觀( a) 及斷口宏觀形貌( b)

圖2 螺釘B 外觀( a) 及斷口宏觀形貌( b)

在六邊形釘頭底部有一道環(huán)繞整個斷口的壓痕，該痕跡呈環(huán)形，具有一定的寬度。其圓心與釘身的圓心有一定的偏離，其圓心靠近釘身斷口的瞬斷區(qū)位置。整個壓痕圓環(huán)寬度也不均勻，在靠近釘身斷口的瞬斷區(qū)位置寬度較小且均勻，在遠離瞬斷區(qū)部位，壓痕寬度較大且痕跡較深，不均勻，其附近還有一道獨立的壓痕圓弧。

2、分析與討論

1) 螺釘A 通過對斷口的微觀觀察發(fā)現(xiàn)，螺釘A 表面均為解理和韌窩斷裂特征，屬于過載斷裂模式。在斷口1 區(qū)呈現(xiàn)螺旋狀擴展放射條紋，從1 區(qū)邊緣處向中心聚集，條紋臺階處為韌窩，其余表面為解理。斷口2 區(qū)主要為扭轉(zhuǎn)剪切淺韌窩，表面較1 區(qū)平坦。由此判斷，首先在螺紋底部產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)剪切裂紋( 2 區(qū)) ，而后發(fā)生了過載斷裂( 1 區(qū)) 。螺釘A 的顯微組織正常，硬度處于技術(shù)要求上限，但硬度偏高對螺釘A 的扭轉(zhuǎn)剪切斷裂沒有直接影響。 綜合以上分析認為螺釘A 的失效過程為: 在螺釘A 裝配過程中，由于擰緊力過大，使得螺釘發(fā)生開裂，產(chǎn)生斷口2 區(qū)。此時螺釘并未完全斷裂，斷口1 區(qū)依舊保持連接狀態(tài)。在之后的試驗過程中，螺釘1 區(qū)受到縱向的工作應(yīng)力和預(yù)緊力聯(lián)合作用，最終斷裂失效。

2) 螺釘B 螺釘B 疲勞裂紋起源于螺釘螺紋牙底表面，裂紋沿螺紋牙底線形起源，瞬斷區(qū)主要為韌窩特征。其中，疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)所占的比例約為8∶ 2，且擴展弧線圓心指向瞬斷區(qū)，這種特征符合低應(yīng)力水平下，存在嚴重應(yīng)力集中時的疲勞斷裂模式。螺釘B 的釘身表面和心部的顯微組織不同，表層出現(xiàn)了大量白色塊狀鐵素體，且越靠近邊緣處，鐵素體的比例越大。心部組織為針狀回火索氏體，越靠近心部，索氏體分布越均勻。同時，表面硬度低于25 HRC，遠遠低于心部硬度38 HRC，說明螺釘B 表面出現(xiàn)了脫碳層，而脫碳層的存在會降低螺釘?shù)钠趶姸?。由螺釘B 釘頭的宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，在六邊形釘頭的底部有一道環(huán)繞整個釘身的壓痕，該痕跡呈環(huán)形，具有一定的寬度。壓痕的圓心與釘身的圓心，有一定的偏離，其圓心靠近釘身斷口的瞬斷區(qū)位置，并且壓痕擠壓損傷程度有較大差異，說明在裝配過程中，螺釘受力不均勻，疲勞源區(qū)附近存在較嚴重的應(yīng)力集中，這也是出現(xiàn)之前描述的疲勞斷裂特征的原因。

綜合以上分析認為螺釘B 的失效分析過程為: 螺釘裝配后第一道、第二道螺紋本身應(yīng)力較高，加之由于裝配時受力傾斜，使得一側(cè)受到額外的拉應(yīng)力，這種附加應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加增大了螺釘局部載荷，而且由于釘身表面存在脫碳層，硬度不能達到使用要求，疲勞強度大幅下降; 因此，在試驗過程中，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，在螺釘高應(yīng)力區(qū)螺紋牙底表面萌生疲勞裂紋并不斷擴展，最后發(fā)生斷裂失效。

 為了提高螺釘?shù)氖褂每煽啃?，避免類似的故障再次發(fā)生，應(yīng)針對以下這些因素采取相應(yīng)的改進措施:

1) 對于螺釘A 類失效，材料本身滿足使用要求，則應(yīng)嚴格控制可能導(dǎo)致實際扭矩過大的因素，如螺紋尺寸、表面質(zhì)量及配合面間的潤滑以及在裝配過程力矩大小，避免螺釘出現(xiàn)早期損傷。

2) 對于螺釘B 類失效，首先要嚴格控制材料的熱處理工藝過程，避免材料表面脫碳層的出現(xiàn)，使材料硬度滿足要求。另外應(yīng)加強螺釘孔和螺釘?shù)募庸ぞ瓤刂?，改善裝配過程中螺釘一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。

3、結(jié)論

1) 螺釘A( 0Cr17Ni4Cu4Nb) 斷裂性質(zhì)為過載斷裂，該螺釘在裝配時產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)剪切開裂損傷，降低了螺釘承載能力，而后在使用中出現(xiàn)斷裂失效。

2) 螺釘B( 30CrMnSiA) 斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，該螺釘表面存在脫碳層，導(dǎo)致疲勞強度大幅降低是導(dǎo)致其早期疲勞失效的主要原因，同時在裝配時發(fā)生傾斜，一側(cè)存在附加拉應(yīng)力，對疲勞失效也有一定促進作用。

3) 建議嚴格控制導(dǎo)致實際扭矩過大的因素及螺釘材料的熱處理工藝，并加強螺釘孔和螺釘?shù)募庸ぞ瓤刂啤?/span>