常見的緊固件斷裂失效案例分析

李岳烽，黃 珂，譚 鋒，譚彥顯

（1.湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量檢驗研究院，湖南長沙 410007；2.湖南申億精密零部件股份有限公司，湖南長沙 410116）

0 引言

緊固件是將兩個或兩個以上的零件（或構(gòu)件）緊固連接成為一個整體時所采用的一類機械零件的總稱。其體積小、成本低，且標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的程度極高，對工業(yè)成品的重要性不言而喻。

金屬緊固件無處不在，是應(yīng)用最廣泛的機械零部件[1]，可將其分為螺栓、螺釘、螺柱、螺母、木螺釘、自攻螺釘、墊圈、鉚釘、銷、擋圈、鏈接副和緊固件、組合件等13 大類[2]。這些機械零部件都具備一定的功能，承擔(dān)各種各樣的工作任務(wù)，如承受載荷、傳遞能量、完成某種規(guī)定的動作等。當(dāng)這些零件失去其原有的功能時，則稱該零件失效[3]。在整個生命周期中緊固件都存在失效的風(fēng)險，工程上通常按照產(chǎn)品失效后的外部形態(tài)將失效現(xiàn)象分為過量變形、斷裂及表面損傷。其中，由環(huán)境介質(zhì)和疲勞引起的斷裂是目前高強度緊固件最常見也是損失最大的失效形式[4]，具體分類見表1。

表1 斷裂失效形式分類及原因

針對以上3 類緊固件斷裂失效形式的案例分別進(jìn)行討論與分析，為預(yù)防緊固件失效提供理論基礎(chǔ)和參考。

1 環(huán)境介質(zhì)引起的斷裂

環(huán)境介質(zhì)引起的失效是指由環(huán)境介質(zhì)、應(yīng)力共同作用引起的低應(yīng)力開裂及破斷失效情況，主要包括應(yīng)力腐蝕、氫脆、液態(tài)金屬脆化和腐蝕疲勞[5]。大多數(shù)的金屬緊固件產(chǎn)品均處于一定的應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力或外加應(yīng)力）和環(huán)境介質(zhì)的聯(lián)合作用下，所以應(yīng)力作用下的腐蝕最為常見，是影響結(jié)構(gòu)安全可靠性的重要隱患之一[6]。通常引起應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)并無強烈的腐蝕性，在沒有施加應(yīng)力的條件下，這種腐蝕介質(zhì)并不會對零件產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞；當(dāng)零件承受的應(yīng)力遠(yuǎn)小于強度極限時，如果沒有腐蝕介質(zhì)也不會發(fā)生破壞。但應(yīng)力條件和腐蝕條件同時存在后，應(yīng)力腐蝕就可能使零件產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。應(yīng)力腐蝕一般是在其承受的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料使用應(yīng)力的情況下突然發(fā)生，通常沿某些冶金或結(jié)構(gòu)缺陷（包括尖角、內(nèi)應(yīng)力集中處）優(yōu)先腐蝕造成裂紋核心，并且隨著時間的延長做緩慢亞臨界擴展，經(jīng)過相當(dāng)時間后裂紋達(dá)到臨界尺寸，便突然脆斷[7]。應(yīng)力腐蝕的特點有：裂紋在宏觀上較平直，但多可見分叉、花紋及龜裂，微觀裂紋一般既有主干又有分支，裂紋的尖端較銳利；斷口在宏觀上比較粗糙，多呈結(jié)晶狀、放射狀，微觀上常有撕裂棱，晶間呈冰糖塊狀花樣，無輝紋出現(xiàn)[8]。

圖1 為湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量檢驗研究院檢測在裝配過程中斷裂的風(fēng)力發(fā)電機高強螺栓斷裂后的斷口截面宏觀形貌，對其斷口進(jìn)行超聲波清洗后可見螺栓斷口有大面積、較明顯的放射花樣，靜載荷下宏觀斷口放射花樣放射源放射方向應(yīng)與裂紋擴展方向平行，垂直于裂紋前沿的輪廓線并逆指向裂紋源，在裂源處未見纖維區(qū)，表明裂紋是快速失穩(wěn)擴展的過程。經(jīng)過檢測分析，此類螺栓材料裂源位于螺紋與桿部交接的螺紋處，與裂源處類似的相應(yīng)位置都存在形狀相似的裂紋（均似樹枝狀），每根主裂紋又有若干條分叉裂紋，這種形狀的裂紋與應(yīng)力腐蝕開裂的形式高度吻合，再加上其延滯開裂的特點，因此認(rèn)定該螺栓屬應(yīng)力腐蝕開裂[9]。該類缺陷主要是在加工過程中產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，由于沒有消除加工形變的內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致在環(huán)境介質(zhì)（如潮濕的空氣）條件下發(fā)生失效。

圖1 斷裂螺栓宏觀斷口形貌

化學(xué)反應(yīng)釜法蘭部位普遍采用不銹鋼緊固件螺栓進(jìn)行連接，生產(chǎn)時伴有氧化和一些腐蝕性元素（如S、Cl、O 等）。圖2為反應(yīng)釜中斷裂螺栓的形貌[10]，可以看出斷口均較平整，無明顯的塑性變形，宏觀觀察顯示為脆性斷口；微觀呈現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕形貌，斷口主要為穿晶斷裂。

圖2 反應(yīng)釜中斷裂螺栓的形貌

金屬材料中的應(yīng)力腐蝕斷裂，通常發(fā)生在其承受的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于其抗壓強度的條件下，即應(yīng)力腐蝕斷裂具有低應(yīng)力、突發(fā)性，且在材料斷裂前期無明顯的塑性變形現(xiàn)象，斷口通常較為平整。

2 疲勞斷裂

疲勞斷裂是金屬緊固件在應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種故障形式，失效形式包括低周疲勞、高周疲勞、振動疲勞（微振疲勞）和高溫疲勞等。但其基本形式只有兩種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞和由正應(yīng)力引起的正斷疲勞，其他形式的疲勞斷裂都是這兩種基本形式在不同條件下的復(fù)合。從緊固件在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的疲勞斷裂來看，目前主要是由于周期交變作用力的情況下引起的低應(yīng)力破壞[11]。據(jù)統(tǒng)計，在風(fēng)電領(lǐng)域目前普遍采用不高于10.9 級的緊固件和達(dá)克羅工藝，氫脆發(fā)生的概率較低，而疲勞斷裂較為普遍[12]。因此，金屬零件的疲勞失效仍是研究的重點。

疲勞斷裂的宏觀斷口一般由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)3 個部分組成[13]。某吊車回轉(zhuǎn)支承與車架大法蘭連接處螺栓，在使用2 個月左右后全部斷裂，其相同規(guī)格、同批次的螺栓制造材料為20MnTiB，生產(chǎn)工藝過程為：下料→鐓頭→初車→調(diào)質(zhì)處理→精車→滾牙→表面達(dá)克羅（圖3）。經(jīng)檢測分析，斷裂螺栓的宏觀斷口上有3 個比較明顯的特征區(qū)域，分別為裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。其中，裂紋源區(qū)和裂紋擴展區(qū)所占斷口面積很小，約占整個斷口的1/3，而瞬斷區(qū)所占斷口面積大，約占整個斷口的2/3。瞬斷區(qū)面積比例大，說明螺栓斷裂前所受的外力較大，符合低周疲勞斷裂的特征[14]。

圖3 吊車回轉(zhuǎn)支承與車架大法蘭連接螺栓斷裂

圖4 為斷裂螺栓的金相組織及裂紋源處形貌，可以看出金相組織為回火低碳板條馬氏體，其裂紋起源于螺紋根部，裂紋源處牙根形狀不光滑，有基體金屬的缺失留下的凹坑，裂紋沿凹坑尖角處開始向內(nèi)沿伸。

圖4 斷裂螺栓的金相組織與裂紋源處形貌

這類缺陷主要是應(yīng)力比較大，其形核時間較短，由于應(yīng)力集中的原因，疲勞裂紋源容易在缺口根部形成[15]。因此，如果連接螺栓螺紋根部不光滑，存在一些細(xì)小凹坑，在凹坑處則會產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成裂源，最終導(dǎo)致低周疲勞斷裂。

3 過載斷裂

過載斷裂通常是指當(dāng)工作載荷超過金屬零件所承受的最大載荷時發(fā)生的斷裂。過載斷裂不同于累積損傷效應(yīng)造成的緩慢損壞，而是在超出產(chǎn)品極限應(yīng)力下結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)破壞[16]。金屬零件在工程中的應(yīng)用，在材料性質(zhì)確定后，零件的過載斷裂只取決于零件截面的正應(yīng)力和截面的有效尺寸。零件發(fā)生過載斷裂失效通常顯示一次加載斷裂特征。對于宏觀塑性過載斷裂，在其宏觀斷口上一般可以看到纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇3 個特征區(qū)，也被稱為斷口的三要素。大多數(shù)的單相金屬和低碳鋼，其過載斷裂的斷口形貌具有典型的三要素特征，但是一些高強度的材料和一些復(fù)雜的工業(yè)合金等，其裂紋源位于纖維區(qū)內(nèi)的環(huán)形花樣中心，且放射區(qū)細(xì)小、剪切唇也較小；中碳鋼和中碳合金鋼的調(diào)質(zhì)狀態(tài)，斷口形貌主要是粗大的放射剪切花樣，纖維區(qū)和剪切唇基本不存在；而塑性較好的材料其斷口形貌恰好相反，過載斷裂的斷口上可能只有纖維區(qū)和剪切唇，不存在放射區(qū)。

圖5 為摩托車連接負(fù)重輪和彈性元件的平衡軸宏觀斷口形貌，制造該平衡軸的材料是20CrMo 鋼，經(jīng)過熱處理后使用5 h后發(fā)生斷裂。圖6 為其在電鏡下觀察的微觀形貌，經(jīng)檢測分析：平衡軸在銷孔處斷裂，斷口無明顯的塑性變形，斷口處顏色呈淺灰，在外表層的斷口具有明顯的撕裂與沿晶斷裂特征，銷孔壁斷口有撕裂變形韌窩。未發(fā)現(xiàn)材料加工缺陷以及疲勞斷裂的痕跡，可以確定該平衡軸斷裂為過載斷裂。其主要原因是裝機過程中負(fù)載不合理，在服役過程中受到了過大的交變應(yīng)力。

圖5 平衡軸斷裂的宏觀形貌

圖6 平衡軸斷裂的微觀形貌

對某20MnTiB 的高強螺栓進(jìn)行斷裂失效分析，圖7 是其經(jīng)超聲波清洗后的宏觀斷口，斷口上有兩個比較明顯的特征區(qū)域，即纖維區(qū)和放射區(qū)。其中：纖維區(qū)位于斷口的中央，裂紋核心在該區(qū)域內(nèi)形成；放射區(qū)中有明顯的放射纖維，每根放射纖維與裂紋擴展方向平行，垂直于裂紋前沿的輪廓線，逆指向裂紋源。經(jīng)檢測分析，這種斷口形貌符合靜拉力條件下的斷裂特征，即可認(rèn)為該螺栓是在外力作用下拉斷所致。

圖7 20MnTiB 螺栓斷口形貌

簡單來說，斷口的纖維區(qū)較大則材料塑性較好，反之放射區(qū)增大則表面塑性較低、較脆。此外，零件的幾何形狀與尺寸也對斷口形貌特征具有一定影響，其幾何尺寸越大放射區(qū)的范圍也越大，而纖維區(qū)和剪切唇增加的幅度較小。環(huán)境對過載斷裂的斷口也存在一定影響，當(dāng)溫度升高時材料的塑性會增加，造成纖維區(qū)和剪切唇變大，放射區(qū)相對變小。

4 結(jié)束語

緊固件作為一種重要的通用基礎(chǔ)件，品種多且性能各異，失效形式也多種多樣。斷裂失效在機械零件中是最常見、也是危害最大的失效類型。為了預(yù)防緊固件的失效，可以從降低材料應(yīng)力集中及提高零件的疲勞強度入手。應(yīng)力集中現(xiàn)象是普遍存在的，通常采取局部強化（如表面熱處理強化、薄殼淬火等）來減少應(yīng)力集中。同時對零件進(jìn)行設(shè)計[17]（如在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位增開缺口和圓孔）使應(yīng)力的流線較為平緩，從而降低應(yīng)力峰值改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。提高零件的疲勞強度是預(yù)防發(fā)生疲勞斷裂的根本措施，噴丸強化[18]是提高緊固件疲勞壽命的有效方法之一，通過延緩疲勞裂紋萌生，提高零件的疲勞強度。因此，正確地選擇材料和設(shè)定熱處理工藝，可以降低失效發(fā)生率，有助于產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高。