紧固件失效分析

AUTO TIME153AUTO PARTS | 汽车零部件时代汽车 轮毂螺母垫片断裂失效分析谢仔新宇星紧固件（嘉兴）股份有限公司 浙江省嘉兴市 314305摘 要： 材料为ML40Cr 的车轮轮毂螺母在装配后发现垫片断裂失效现象，通过宏观检查、断口分析、金相检测、硬度检测、化学成分分析、综合分析分析、氢含量测定等方法对垫片断裂原因进行分析。

结果表明：垫片表面在挤压过程中产生的微裂纹，在酸洗、镀锌等过程中，氢沿裂纹渗入基体，由于垫片硬度要求较高，从而导致氢脆开裂并扩展。

最终在装配应力作 用下发生断裂失效。

关键词：ML40Cr　轮毂螺母　断裂　硬度　氢脆轮毂螺母在装配后发现有垫圈开裂现象。

在其中部分轮毂中发现有1-2只开裂现象。

该螺母和垫圈材料均为ML40Cr，该垫圈加工工艺为：原材料球化—酸洗磷皂化—拉丝—切料压扁—退火—磷皂化—冷挤压—热处理—压圈—镀锌，热处理后硬度为38-44HRC。

为检查该批产品的断裂原因，以便防止后期在出现类似质量问题，笔者对断裂垫片进行检验和分析。

1　理化检查1.1　宏观观察实物如图1所示，材料为ML40Cr，从实物可见，垫圈存在两处开裂，为方便描述，现将两处分别标记为1#和2#。

1#2#图1　试样宏观形貌采用体视显微镜对样品进行宏观检查，图2所示为两处断口宏观形貌，可见断面均粗糙，隐约可见放射痕迹，放射痕迹收敛于垫圈内侧凹槽处（红色虚线框标记处），因此，该处为裂纹源区。

观察裂纹源区附近表面，可见存在金属堆积现象，如图3所示。

1.2　断口分析采用扫描电子显微镜分别对1#和2#断面进行微观形貌观察，图4所示为断面低倍形貌，可见，断面均可见放射状痕迹，裂纹 源区分别位于A1区和A2区边缘，为方便描述，现将断面分为A1、B1、C1和A2、B2、C2不同区域进一步描述。

图5为断面A1区微观形貌，断面为冰糖状沿晶形貌，并伴有晶间二次裂纹，局部晶面可见“鸡爪纹”。

图6所示为断面C2区微观形貌，可见为“冰糖状”沿晶形貌，并伴有晶间二次裂纹，局部晶面可见“鸡爪纹”。

航空紧固件疲劳失效原因及改善措施航空紧固件作为飞机结构的重要组成部分，其性能直接关系到飞机的安全性和可靠性。

紧固件的疲劳失效是航空领域常见的问题之一，它通常是由多种因素共同作用的结果。

本文将探讨航空紧固件疲劳失效的原因，并提出相应的改善措施。

一、航空紧固件疲劳失效的原因1.1 材料特性航空紧固件的材料特性是影响其疲劳寿命的关键因素之一。

材料的强度、韧性、硬度等物理性能，以及微观结构如晶粒大小、夹杂物、相变等都会对疲劳性能产生影响。

例如，材料的强度越高，其疲劳强度也越高，但韧性可能会降低，这可能导致在高应力循环下更容易发生疲劳断裂。

1.2 制造工艺紧固件的制造工艺也会影响其疲劳性能。

锻造、热处理、表面处理等工艺过程都会改变材料的微观结构和表面状态。

不当的热处理可能导致材料硬度不均匀，增加应力集中的风险。

表面处理如镀层、渗碳等，如果处理不当，可能会引入裂纹源或改变材料的应力分布。

1.3 设计缺陷紧固件的设计缺陷也是导致疲劳失效的原因之一。

设计时未充分考虑应力集中、载荷分布、材料特性等因素，可能会导致紧固件在使用过程中承受不均匀的应力，从而加速疲劳裂纹的萌生和扩展。

1.4 环境因素环境因素对紧固件的疲劳性能也有显著影响。

温度、湿度、腐蚀性介质等环境条件会影响材料的性能，加速疲劳失效。

例如，在高温环境下，材料的疲劳强度会降低；在腐蚀性环境中，紧固件表面可能会形成腐蚀产物，增加应力集中，促进裂纹的形成。

1.5 载荷条件紧固件在使用过程中承受的载荷条件是影响其疲劳寿命的重要因素。

循环载荷、冲击载荷、振动等都会对紧固件产生疲劳损伤。

特别是循环载荷，其频率、幅值、波形等参数都会影响疲劳裂纹的萌生和扩展。

1.6 维护不当维护不当也是导致紧固件疲劳失效的原因之一。

缺乏定期检查和维护，未能及时发现和处理紧固件的损伤，可能会导致疲劳裂纹的扩展，最终导致紧固件的断裂。

二、航空紧固件疲劳失效的改善措施2.1 优化材料选择选择合适的材料是提高紧固件疲劳性能的基础。

螺纹紧固件失效分析案例全国紧固件标准化技术委员会机械工业通用零部件产品质量监督检测中心二〇〇八年6月序机械产品失效是一门关于研究机械产品质量的综合性技术学科，主要研究失效的规律与机理。

机械零件的失效是在特定的工作条件下，当其所具备的失效抗力指标不能满足工作条件的要求时发生的。

导致零件失效的本质原因可能是材料本身的失效抗力不足，也可能是零件存在与设计或制造等过程有关的缺陷。

产品的早期失效往往是产品质量低劣或质量管理不善及科学技术水平不高的直接反映。

失效发生后能否尽快作出正确的判断，确定失效原因，制定防止失效的措施，则是衡量有关科技人员技术水平的重要标志。

加入WTO后，我国的产品将参与国际市场的竞争，于是提高产品质量成为提高竞争力的关键因素。

失效分析则是定量评定产品质量的重要基础，也是保证产品可靠性的重要手段。

机械科学研究总院、机械工业通用零部件产品质量监督检测中心在进行大量失效分析的基础上（包括对断裂、腐蚀和磨损的深入研究，特别是断口、裂纹和痕迹分析），分析了可能出现失效的形式和类型，以供大家在生产中借鉴，在生产工艺中加以避免出现失效的可能；同时，在今后的质量纠纷中维护自己的正当权益。

机械工业通用零部件产品质量监督检测中心熊学端研究员从事了几十年失效分析研究工作，有很深的理论造诣，积累了丰富的失效分析经验，本文中列举了部分螺纹紧固件失效分析案例，希望能够为生产企业及用户提供良好的参考和借鉴；同时，中心愿为生产企业和用户在今后的失效分析中提供技术咨询和指导。

全国紧固件标准化技术委员会目 录第一部分 失效分析概述 (1)1. 失效定义 (1)2. 失效分析的意义、目的 (1)3. 失效的来源 (1)4. 失效分析的思路、方法 (1)5. 断口分析 (2)6. 断口分析部分名词术语 (3)第二部分 失效分析案例 (7)1. 汽车上臂螺栓断裂原因分析 (7)2. 溜冰鞋螺钉、螺母断裂原因分析 (12)3. 紧定螺钉断裂原因分析报告 (20)4. 连杆螺栓断裂原因分析 (25)5. 汽车轮毂螺栓断裂原因分析 (29)6. M8×55高强度螺栓断裂原因分析 (33)7. 高压开关螺栓断裂原因分析报告 (37)8. 沟槽刚性接头紧固螺栓断裂原因分析报告 (42)9. 定位螺钉断裂原因分析 (47)10. M36×280高强度螺栓断裂原因分析 (53)11. 高压线塔联结螺栓断裂原因分析 (59)12. 中压电器用螺栓断裂原因分析报告 (64)13. 网架螺栓断裂原因分析 (66)14. 螺钉断裂原因分析 (69)15. 吊环螺钉断裂失效分析 (73)16. 螺栓失效原因分析 (79)第一部分 失效分析概述在具体讲述螺纹紧固件失效分析案例以前，先对失效分析的定义、意义、目的；失效的来源；失效分析的思路与方法；断口分析和名词术语等做一简单叙述。

紧固件失效预防技术措施分析摘要研究如何提高紧固件失效抗力，采用相应的预防技术措施，避免紧固件失效。

关键词紧固件；失效；预防1 预防紧固件失效通用措施从紧固件常见失效模式和原因看，预防紧固件失效主要从紧固件结构设计、原材料质量、制造质量、检查和使用几方面考虑。

措施：合理的结构设计；原材料表面、内部缺陷检查；预防镦锻缺陷；按照热处理工艺进行操作预防热处理缺陷；预防氢脆；保证螺栓精度；晶粒度检查；关键、重要紧固件检查和试验；预防疲劳断裂、防止装配扭力过大等。

2 预防紧固件过载断裂失效措施紧固件过载断裂分为韧性和脆性过载断裂。

预防紧固件韧性过载断裂失效措施：韧性过载断裂失效主要影响因素是材料自身抗力和外力大小，其失效原因主要有材料强度不够、实际使用载荷超过设计要求、受到异常外力作用、偶然的材质或加工缺陷使紧固件承载能力下降等。

设计结构合理，紧固件受载条件下应力分布合理，避免局部应力过大导致过载断裂；选材合理、紧固件有足够强度；提高原材料质量、预防材质缺陷；提高冷热加工质量，提高紧固件表面完整性，预防加工缺陷；预防装配应力过大，装配过程采用定力扳手；严格控制导致紧固件超载应力出现。

预防紧固件脆性过载断裂失效措施：脆性过载断裂包括解理断裂、准解理断裂和沿晶粒断裂失效模式等。

导致金属发生解理或准准解理断裂的影响因素较为相似，如低温环境、高速加载、三向应力、材料组织状态等。

避免在过低环境温度下使用，特别是高强度钢；避免受到高速加载，如高数冲击等；避免紧固件表面存在严重的应力集中；表面进行滚压等处理形成表面压应力，减小缺口效应；细化材料晶粒度，提高材料纯净度等。

导致金属发生沿晶粒过载断裂的影响因素较多，如材料沿晶界析出脆性沉淀相或杂质元素、回火脆、高温导致晶界氧化、高温导致材质过热过烧、局部产生三向应力作用等。

措施：提高材质纯净度，减少杂质元素沿晶解分布；严格控制热工艺过程，防止过热过烧；正确选用材料，预防使用环境温度过高导致过热或过烧；提高表面完整性，防止三向应力作用；合理制定热处理工艺，防止出现回火脆等。

第４２卷　第６期　上　海　金　属　Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．６２０　２０２０年１１月　ＳＨＡＮＧＨＡＩＭＥＴＡＬＳ　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２０２０基金项目：高温高频材料力学性能原位测试仪器开发与应用（２０１８ＹＦＦ０１０１２４０６）作者简介：王慧，男，高级工程师，博士，主要从事机械零部件的检测和失效分析工作，Ｅ ｍａｉｌ：ｈｕｉｗａｎｇ＠ｃｈｉｎａｚｂｊ．ｃｏｍ， 电话：139****7476紧固件的典型失效形式王　慧１　刘海波１　朱先华２　祁永东１　王安友１　胡　杰３　赖建明３（１．浙江国检检测技术股份有限公司，浙江海盐　３１４３００；２．嘉兴市南湖区社会福利保障指导中心，浙江嘉兴　３１４０００；３．上海大学材料科学与工程学院，上海　２００４４４） 【摘要】　紧固件是应用最广泛的基础零件之一，其可靠性与整个装备或结构的安全可靠运行密切相关。

根据１２０３个紧固件失效案例的统计分析结果，对紧固件失效的形式和原因进行了分类。

重点论述了常见的紧固件因过载、氢脆、疲劳、应力腐蚀等原因而失效的形式，并列举了典型的螺栓断裂案例，包括成分偏析导致的断裂，装配时过烧导致的断裂，氢脆或腐蚀疲劳导致的断裂等。

【关键词】　紧固件　失效　过载　氢脆　腐蚀疲劳ＴｙｐｉｃａｌＦａｉｌｕｒｅＭｏｄｅｓｏｆＦａｓｔｅｎｅｒｓＷＡＮＧＨｕｉ１　ＬＩＵＨａｉｂｏ１　ＺＨＵＸｉａｎｈｕａ２　ＱＩＹｏｎｇｄｏｎｇ１　ＷＡＮＧＡｎｙｏｕ１　ＨＵＪｉｅ３　ＬＡＩＪｉａｎｍｉｎｇ３（１．ＺｈｅｊｉａｎｇＧｕｏｊｉａｎＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＨａｉｙａｎＺｈｅｊｉａｎｇ３１４３００，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉａｘｉｎｇＮａｎｈｕＤｉｓｔｒｉｃｔＳｏｃｉａｌＷｅｌｆａｒｅＳｅｃｕｒｉｔｙＧｕｉｄａｎｃｅＣｅｎｔｅｒ，ＪｉａｘｉｎｇＺｈｅｊｉａｎｇ３１４０００，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４４４，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】　Ｆａｓｔｅｎｅｒｓａｒｅｔｈｅｍｏｓｔｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｂａｓｉｃｐａｒｔｓ，ｔｈｅｉｒｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｓａｆｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒ１２０３ｃａｓｅｓｏｆｆａｓｔｅｎｅｒｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅｍｏｄｅｓａｎｄｃａｕｓｅｓｏｆｆａｓｔｅｎｅｒｓｆａｉｌｕｒｅｗｅｒｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｓｏｆｆａｓｔｅｎｅｒｆａｉｌｕｒｅｗｈｉｃｈｓｔｅｍｍｅｄｆｒｏｍｏｖｅｒｌｏａｄ，ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ，ａｎｄｆａｔｉｇｕｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｗｅｒｅｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄｔｙｐｉｃａｌｃａｓｅｓｏｆｆａｓｔｅｎｅｒｂｒｅａｋｉｎｇｗｅｒｅｌｉｓｔｅｄ，ｉｎｖｏｌｖｉｎｇｔｈｅｂｒｅａｋｉｎｇｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ，ｏｖｅｒ ｂｕｒｎｉｎｇｄｕｒｉｎｇａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ，ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｏｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ．【Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ】　ｆａｓｔｅｎｅｒ，ｆａｉｌｕｒｅ，ｏｖｅｒｌｏａｄ，ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ 紧固件被称为“工业之米”，是应用最广泛的基础零件之一。

紧固件断裂失效类型及原因分析前言机器或钢结构件是由许多个零件和部件组成，这些零件和部件绝大部分是通过螺纹紧固件连接在一起的。

一旦紧固失效将造成机器失灵，严重者甚至出现人员伤亡事故。

由于紧固失效的常见性和潜在的严重性，所以我们应认真仔细地分析并找出紧固失效的原因，采取纠正措施，以杜绝紧固失效的发生。

紧固失效有两种，一种是螺栓断裂，被紧固零件瞬间分离，这种失效往往会造成严重的后果；还有一种是螺纹副松动和螺栓或螺母滑牙，被紧固零件出现一定范围的相互位移，造成机器部分功能失常。

人们发现，及时采取措施可以避免事故的发生。

如因未发现任其继续发展，螺栓和螺母终将分离，同样会引发重大安全事故。

紧固失效后直观现象是螺栓断裂或螺母与螺栓分离，因此人们一般认为螺栓断裂是螺栓质量有问题，螺母松动是螺母质量不好。

大家往往忽略了设计和安装中的问题。

一、剪切断裂剪切断裂出现在螺栓只受预紧力的连接中（见图1）。

剪切断口出现在螺栓杆部，位于两个被紧固零件的结合面处（见图1），断口有小面积的平整光亮剪切面。

出现剪切断裂有下列原因：图1 图21、设计原因⑴被紧固零件的结合面间摩擦系数太小或螺栓规格不够大造成预紧力F＇不够，即：fF＇＜F ( f-结合面间的摩擦系数 )此时结合面间摩擦力小于横向工作载荷F，被紧固零件出现相对滑移，螺栓承受孔壁的挤压，当挤压力足够大时螺栓被剪切断。

在运动部件上因冲击力更大，所以出现的可能性也更大。

为了避免这种现象的发生，在设计上可以采用减载件和台阶来承受横向载荷，使螺栓仅起纯连接作用（见图2）。

⑵在振动工作环境下工作零件的紧固，未采用具有防松功能的紧固件。

在工作一段时间后，紧固件螺纹副出现松动，螺栓夹紧力（预紧力F＇）下降，此时也将发生上述同样的结果。

为了避免因松动而造成紧固失效，设计时应采用具有防松功能的紧固件，如美国施必牢防松螺母、有效力矩螺母。

2、装配原因装配时预紧扭矩过小，造成预紧力不够，即F＇小，出现上述同样的结果。

设计潜在失效模式与后果分析(D-FMEA)在紧固件行业的应用随着我们国家汽车行业的开放，国外先进汽车制造商在与国内公司合作中，对汽车产品质量要求也在不断的提高，给我们带来先进的管理理念，使得我们的管理理念在不断更新。

许多标准件企业在与先进汽车制造商接触过程受益非浅，标准件行业在汽车制造商的要求下对产品质量体系进行换板升级，但标准件行业在做TS体系时都回避一个现实问题。

对产品的设计责任(7.3)采取部分删减方法，对体系要求的设计责任(7.3)环节进行部分回避，其实在标准件行业的技术要求里制造者存在一定的设计责任。

我个人认为回避是不正确的，应该实施无任何删减运行。

在体系中采取回避设计责任是可以的，也是可行的，但也不能说标准件制造者就没设计责任，只是引入设计责任对体系增加不少要求而已。

从TS体系严格严格要求来讲，标准件行业制造者是有设计责任，不能对体系做出设计责任的删减。

但企业在体系做的过程中回避7.3环节是避免在审核过程中不必要的麻烦，因为涉及到在设计过程的控制要素不能说明关键的设计要素来源，而设计的要素来源在日常工作中没进行收集和整理，对相关设计的控制的技术不能说明，而采取的技巧性回避。

这样的技巧性回避很普遍，也得到顾客(第二方审核)和认证公司(第三方审核)的通过。

我在这里就如何地做设计潜在失效的模式与后果分析(D-FMEA)，以及怎么样完成相关的设计简单说明，望得到大家的修正。

潜在失效的模式与后果分析在上世纪50年代初，美国空军第一次将FMEA思想用于一种战斗机操作系统的设计分析，到了60年代中期，FMEA技术正式用于航天工业(Apollo计划)。

1976年，美国国防部颁布了FMEA的军用标准，但仅限于设计方面。

70年代末，FMEA技术开始进入汽车工业和医疗设备工业。

80年代初，进入微电子工业。

80年代中期，汽车工业开始应用过程FMEA确认其制造过程。

到了1988年，美国联邦航空局发布咨询通报要求所有航空系统的设计及分析都必须使用FMEA。