六角头螺栓断裂分析
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六角头螺栓断裂分析
接到客户的质量反馈，重载矿山机械车辆轴承包紧固螺栓断裂导致轴承包脱落，现场反馈
如下:
是什么原因导致的螺栓断裂？
是螺栓本身存在质量缺陷还是其他原因引起的连锁反应呢？
我们一起探讨下
... 一、理化检验 ◆ 宏观检测 a. 失效螺栓断裂形态见下图：
观察图片，可见失效螺栓锈蚀严重，断裂位置存在明显的缩颈变形（红色虚线区域）。失效螺栓断裂位置存在缩颈，说明螺栓在断裂之前承受了较大的拉应力而不是突然出现的脆性断裂。 b. 失效螺栓断面形态见下图：
观察失效螺栓断口宏观形貌，断口较平整，存在明显的剪切唇，部分区域呈波纹状花纹，将断口分为源裂纹区（红色虚线区域）、裂纹扩展区（波纹状花纹）、最后断裂区（绿色虚线区域）。 源裂纹区位于螺纹根部表面，锈蚀严重且锈迹向螺栓中心位置扩散，存在较大剪切唇。 结合螺栓实际安装位置，分析该区域在断裂之前，承受了一定的剪切力导致此位置出现裂纹，在使用过程中裂纹逐渐扩散，最终发生断裂。 ◆ 化学成分分析 使用光谱仪对失效样品进行化学成分检测，检测结果见下表：
比照GB/T 3077-2015标准，该物料材质应该为40Cr合金钢，该材质满足标准ISO 898-1中规定的10.9级螺栓材质要求以及热处理性能要求。 ◆ 维氏硬度检测 使用HV30硬度仪对失效样品进行检测，并与发货时原始数据比对，ISO 898-1标准要求10.9级螺栓维氏硬度（≥HV10）为320HV-380HV,检测结果见下表：
拉伸实验检测
取同批次未断裂螺栓一支进行拉伸实验，检测结果为1136.8Mpa，大于标准ISO 898-1要
求的1040Mpa，抗拉强度合格。
-20℃冲击试验检测
取同批次未断裂螺栓一支进行-20℃冲击试验，检测结果为58.75J，大于标准ISO 898-1
要求的27J，-20℃冲击合格。
金相检测
使用金相显微镜对失效件样品金相组织进行检测（500X），检测结果见下图：
可见螺栓金相组织为典型的回火屈氏体组织，碳化物分布均匀，组织无明显异常。
失效螺栓理化检测总结
通过对失效件进行检测，发现该物料各项性能均满足标准ISO 898-1规定，产品本身未
发现质量问题，属于合格产品。
原因分析
失效螺栓的各项理化检验均符合紧固件机械性能标准ISO 898-1的要求，那么究竟是什
么原因导致的螺栓断裂呢？
失效螺栓的现场安装方式如下：
由图片可以看出，螺栓与平垫圈配合使用（红色线圈区域），平垫圈在紧固件装配中可
以起到增大螺栓与装配面接触面积的作用，但是平垫圈的锁紧防松作用有限，断裂螺栓
服役的车辆工作环境恶略，运输时颠簸震动频繁，极易造成螺栓松动，导致螺栓受到
下的偏载拉应力，螺栓螺纹处出现疲劳裂纹。
螺栓及其他配合件均为煮黑产品，缺少有效的防腐涂层保护，在恶略工况下极易发生腐
蚀（参见断裂螺栓宏观照片），在疲劳裂纹和腐蚀的共同作用下，微裂纹快速扩张，进
而引起螺栓断裂。
解决方案
我们该怎样预防此类产品失效？
建议客户从以下两个方向改善，预防此类失效：
a. 将平垫圈更换为锥形弹性锁紧垫圈
锥形弹性垫圈整体呈锥形，其形状与碟形弹簧相同因此也被称为碟形弹性垫圈。
该垫圈在装配后受力压平，由于其自身硬度较高（420HV-490HV）回弹效果非好，压平后
会360°给螺栓提供弹性补偿，即便螺栓受到震动出现轻微松动，锥形弹性垫圈可以靠自
身回弹的弹性补偿来弥补连接副的夹紧力，确保螺栓不会因为松动承受侧向载荷导致过
载断裂。
锥形弹性垫圈具有良好的锁紧结构，防松性能远远优于普通平垫圈。
b. 变更螺栓及配合垫圈的表面涂层
失效螺栓以及配合的平垫圈均出现非常严重的锈蚀，这种锈蚀严重缩短了紧固件的服役
寿命，进而导致紧固件在服役过程中出现失效。
可将产品表面涂层变更为非电解锌片涂层或机械镀锌镀层，增强其防腐性能。 非电解锌片涂层
非电解锌片涂层是目前国内外最常用的一种防腐涂层，其中性盐雾试验最高可达1000小时无红锈，可在恶略环境中有效的保护产品不被腐蚀。 非电解锌片涂层执行标准为ISO10683，其特点是可以通过增加表面润滑涂层控制产品的摩擦系数，整个处理工艺中不会产生氢，高强紧固件不存在氢脆的潜在风险。但是由于该涂层与基体为物理结合，涂层的附着力和延展性略显不足。 目前，国内外应用最广泛的一种非电解锌片涂层为久美特（GEO）涂层，该涂层可以结合面涂（PLUS）涂料，较为精确的控制螺栓的摩擦系数，是机车、风电、汽车等行业最为常用的一种防腐涂层。 机械镀锌 机械镀锌是一种冲击镀覆工艺，不需要加热或电流，其中性盐雾试验最高可达500小时无红锈。机械镀锌镀层执行标准为ISO12683，其特点是处理工艺中不会产生氢，高强紧固件不存在潜在的氢脆风险，镀覆后镀层的附着力和延展性较好。但是由于其要达到较高防腐性能时镀层的厚度很厚（达到500h中性盐雾试验时间时镀层已经＞0.1mm）因此螺纹连接件选择机械镀锌镀层时需要特别关注螺纹公差。
扩展讨论 为什么其他螺栓未出现松动和断裂？ ◆ 紧固件的“541”规则
通常情况下，在螺栓的拧紧过程中只有约10%的扭矩转化为连接副的夹紧力，其中约
50%的扭矩用于克服螺栓支撑面产生的摩擦力，约40%的扭矩用于克服螺纹之间的摩擦
力，这就是紧固件连接中的“541”规则。
在相同扭矩情况下，由于摩擦系数不同，会导致螺栓安装后的夹紧力不尽相同。
下表为相关人员做过的关于相同扭矩下不同摩擦系数最终得到的螺栓夹紧力的对比：
（摘自《螺栓预紧力的控制》，航天标准紧固件研究与检测中心，孙小炎）
可见，摩擦系数仅存在0.01的差异，最终产生螺栓预紧力的力矩比例差异就高达4.5%。
◆ 螺纹的摩擦系数差异
批量生产的螺栓虽然模具相同、搓丝板相同，但是由于运输等原因可能导致个别螺栓的
螺纹存在倒牙，造成该螺栓装配时螺纹间的摩擦力增大，进而影响其夹紧力。
失效螺栓装配的盲孔应该是丝锥加工，个别螺纹孔内如果存在加工毛刺，也会造成螺栓
装配时螺纹间的摩擦力增大，进而影响其夹紧力。
也就是说，相同批次的螺栓由于个体差异，在相同安装扭矩下均会存在夹紧力差异。
这就是为什么同批次螺栓，使用相同的安装扭矩，在相同的服役条件下，大部分完好无
损而个别螺栓出现松动断裂的主要原因。
