典型螺纹连接件的失效案例及其原因分析
2024/09/21 01:36:01
螺纹连接件作为机械工程中广泛应用的紧固件，其稳定性和可靠性直接关系到整个机械系统的正常运行。然而，在实际应用中，螺纹连接件常常会出现各种失效现象，如断裂、松动、磨损等。本文将以几个典型螺纹连接件的失效案例为例，深入分析其失效原因，并提出相应的改进措施。
一、案例一：高强度螺栓疲劳断裂失效背景某公司送检一个合闸拐臂圆头内六角紧固螺栓，规格为M8×55-12.9，拧紧扭矩为95N·m。该螺栓在使用过程中发生断裂，导致设备停机。
失效分析1. 外观与断口形貌送检样为螺栓残骸中靠头部的一段，螺栓未见明显变形，表面经发黑处理。断口平直，断裂处位于螺纹牙底。断口大体上可分成三个区：裂纹源区（Ⅰ区）、裂纹快速扩展区（Ⅱ区）和最后断裂区（Ⅲ区）。
- 裂纹源区（Ⅰ区）：位于断口的外周边（牙底），周边存在众多的台阶花样，表明断裂起始位置的多源性。
- 裂纹快速扩展区（Ⅱ区）：宏观特征为粗条带状的放射花样，微观形貌特征为沿晶断裂+部分准解理断裂+大量二次裂纹。
- 最后断裂区（Ⅲ区）：宏观特征为纤维状，微观形貌为喇叭口状的韧窝+撕裂棱，表明在承受相当大的冲击力后造成断裂。
螺栓硬度为42.0HRC，符合GB/T3098.1-2000标准的规定范围（39～44HRC）。然而，螺栓材料中的非金属夹杂物（特别是氧化物夹杂）比较严重，特别是在中心及断口附近，达到约4级。这类夹杂物硬而脆，与基体变形不协调，极易在夹杂物周围形成裂纹造成脆断。
3. 金相组织螺栓的金相组织为保持马氏体位向的调质索氏体，但组织粗大，说明热处理产生了过热。断口上二次裂纹的横截面形貌为沿晶扩展，进一步证明了材料的脆性。
失效原因- 材料中的非金属夹杂：氧化物夹杂严重，导致在夹杂物周围形成裂纹，进而引发脆断。
- 牙底微裂纹：牙底存在的微裂纹进一步提升了应力集中程度，加速了裂纹的扩展。
- 组织粗大：热处理过程中产生的过热导致金相组织粗大，降低了材料的断裂抗力和韧性。
- 优化材料选择：选用非金属夹杂物含量低的优质材料。
- 改进热处理工艺：避免过热现象，确保金相组织细小均匀。
- 加强质量控制：对原材料和成品进行严格的质量检测，确保各项指标符合标准。
在20余台重载履带车辆共6000多个端联器螺栓中，有3个螺栓在使用初期发生断裂，失效率为0.044%。断裂螺栓均是在新履带装车行驶1km后停车维护时突然断裂。
失效分析1. 断裂部位与形貌断裂部位位于垂直于轴向的螺纹中部。断口呈起伏状，无塑性变形，个别区域有面积大小不等的小平面。整个断面上无冶金缺陷，断裂源只有一个，起始于断面外侧的螺纹根部应力集中处。
2. 微观形貌断口主要由沿晶、冰糖状、大量的晶间微裂纹组成，呈现出典型的无塑性脆性断裂形态。
3. 装配情况查找生产作业记录发现，当初螺栓拧紧装配时，实际拧紧力矩远大于设计规定的力矩。
失效原因- 装配拧紧力矩过大：导致螺栓在应力集中处产生裂纹，进而引发脆性断裂。
- 腐蚀环境：螺栓在腐蚀环境下产生了应力腐蚀，降低了螺栓的综合性能。
- 加强装配规范：确保履带连接螺栓预紧力在装配规范要求范围内，并适当降低拧紧力矩上限值以提高安全系数。
- 调整热处理工艺：在保证强度指标的前提下，降低螺栓的硬度，增加其韧性，降低应力腐蚀的敏感性。
- 增加保护层：在螺栓表面增加保护层，降低环境对螺栓断裂的应力腐蚀影响程度。
某公司送检两个规格为M8×110-12.9的螺栓，在服役期间在螺纹部位发生断裂。断裂螺栓外观形貌显示，断裂部位有明显的缩颈变形和弯曲变形。
失效分析1. 宏观形貌两个螺栓的断裂部位均有明显的缩颈变形，缩颈最小处分别为φ7.2mm和φ7.5mm。此外，螺栓光杆部位的一侧表面有明显的挤压痕迹。
2. 断口形貌断裂起始区位于螺纹一侧的牙底，裂纹扩展撕裂棱线呈河流状。断裂起始区的断口边缘呈锯齿状花样，是条状缺口引起的多源断裂的典型特征。
3. 金相组织螺栓材料中的非金属夹杂物级别较高，且存在中心管状偏析。牙底存在明显的网状微裂纹以及较大的裂纹，尤其是前者几乎在每个牙底均可观察到。
失效原因- 过载：螺栓在服役过程中可能承受了超过其设计负荷的力，导致塑性变形和疲劳开裂。
- 材料缺陷：非金属夹杂物和中心管状偏析降低了材料的强度和韧性。
- 牙底微裂纹：牙底存在的微裂纹进一步加剧了应力集中，加速了裂纹的扩展。
- 优化材料选择：选用质量更高的原材料，减少非金属夹杂物和偏析现象。
- 加强质量控制：对原材料和成品进行严格的质量检测，确保各项指标符合标准。
- 合理设计：优化螺纹连接的设计，减少应力集中现象。
螺纹连接件的失效原因多种多样，包括过载、材料缺陷、热处理不当、装配问题以及环境因素等。为了避免螺纹连接件的失效，需要从材料选择、热处理工艺、装配规范、设计优化以及定期检查和维护等多个方面入手。通过加强质量控制和采取有效的改进措施，可以显著提高螺纹连接件的稳定性和可靠性，确保机械系统的正常运行。