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緊固件是機(jī)械裝備中不可或缺的零部件，包括螺柱、螺母、鉚釘、墊圈等，它們直接決定著裝備和主機(jī)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性。本期分享一個(gè)緊固件失效的典型案例。

 

案例背景

 

一款45H緊定螺柱使用時(shí)在達(dá)到規(guī)定扭矩前發(fā)生斷裂，委托方希望實(shí)驗(yàn)室分析斷裂原因。

圖1 樣品圖：斷裂螺柱

實(shí)驗(yàn)室收到樣品后，進(jìn)行了以下操作排查原因。

 

1.基本檢測(cè)

 

首先按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.3-2016《緊固件機(jī)械性能 緊定螺釘》取樣檢測(cè)了螺柱的硬度、保證扭矩、表面缺陷和化學(xué)成分，檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

2.外觀檢查

 

利用超景深顯微鏡對(duì)斷裂的螺柱進(jìn)行外觀檢查，可見斷口側(cè)面存在點(diǎn)點(diǎn)繡斑，而斷裂的螺牙也發(fā)生了朝向斷口的變形，此處已可知該螺柱在斷裂時(shí)的主要受力方向。

圖2  失效樣品斷口處外觀觀察

 

3.微觀分析

 

進(jìn)一步在掃描電鏡下觀察斷口，螺柱芯部呈脆性斷裂特征。但在靠近螺牙邊緣的位置卻呈現(xiàn)出了完全不同的斷口微觀形貌——“冰糖狀花樣”。

 

這是一種典型的應(yīng)力腐蝕開裂斷口的微觀形貌特征，由于裂紋的萌生和發(fā)展受到了應(yīng)力和環(huán)境腐蝕介質(zhì)的雙重作用，使得裂紋沿著晶粒間的界面擴(kuò)展。而剛剛斷裂螺柱側(cè)面的點(diǎn)點(diǎn)銹跡也印證該產(chǎn)品使用環(huán)境確實(shí)有腐蝕介質(zhì)存在。

 

當(dāng)沿著“冰糖狀花樣”特征尋找，終于發(fā)現(xiàn)整個(gè)斷口的起始位置是“牙頂裂紋”。

 

圖3  樣品斷口微觀形貌

 

（A-斷口全貌 15×；B-斷口芯部準(zhǔn)解理形貌 1000×；C-近螺紋牙頂 300×；D-螺紋牙頂?shù)难鼐嗫?1000×；E-牙頂裂紋 100×；F-牙頂裂紋 500×）

A:螺紋牙頂（100×）；B:螺紋牙頂?shù)幕泼妫?00×）

 

4.金相檢驗(yàn)

 

切片&金相檢驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，該螺柱的金相中雖未見夾雜物、脫/滲碳等現(xiàn)象，但螺紋牙頂均存在裂紋。（圖4、圖5）

 

圖4  樣品未侵蝕金相

 

圖5  樣品侵蝕金相（A-牙頂裂紋100×；B-金相組織500×）

 

繼續(xù)抽檢委托方所送的其他樣品，結(jié)果均發(fā)現(xiàn)了“牙頂裂紋”，最長(zhǎng)超過500微米，而且這些裂紋的擴(kuò)展形態(tài)也符合應(yīng)力腐蝕開裂的特征。

圖6  螺紋尖端裂紋（A、C-失效品；B、D-未失效品）

 

結(jié) 論

 

該螺柱在額定扭矩內(nèi)斷裂的最大可能原因?yàn)椋?/span>

 

螺柱成型加工過程中由于加工應(yīng)力的作用在螺紋尖端處形成裂紋，該裂紋在晶界間殘余應(yīng)力和環(huán)境中腐蝕介質(zhì)等因素的共同作用下進(jìn)一步向材料內(nèi)部生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致螺柱使用時(shí)在達(dá)到保證扭矩前發(fā)生脆性斷裂。

 

從結(jié)論看，這似乎是一起因劣質(zhì)產(chǎn)品導(dǎo)致的斷裂失效的案例。實(shí)則不然。在GB/T 5779.3-2000 《緊固件表面缺陷 螺柱、螺釘和螺柱 特殊要求》中僅規(guī)定了12.9級(jí)螺柱不允許存在牙頂?shù)恼郫B和裂紋，本案例中使用的45H螺柱完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，在圖2中不難看出該45H緊定螺柱在使用時(shí)承受了一定的拉應(yīng)力，而45H緊定產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)在于其硬度，為不受拉應(yīng)力產(chǎn)品，故本次失效屬于產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)的選型不當(dāng)。

 

建議：

 

考慮到實(shí)際產(chǎn)品成本、使用場(chǎng)景和存放條件，推薦使用性能等級(jí)8.8級(jí)以上的緊定螺柱產(chǎn)品。

 

附相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條款

 

1、GB/T 5779.3-2000《緊固件表面缺陷 螺栓、螺釘和螺柱 特殊要求》1.1

 

2、GB/T 5779.3-2000《緊固件表面缺陷 螺栓、螺釘和螺柱 特殊要求》3.6