1. 概述
委托方提供失效螺栓殘件兩枚，已使用完好螺栓一枚，未使用螺栓三枚，規(guī)格為M16×60，等級為12.9級，材質(zhì)為SCM435。該批次螺栓制造工藝為：成型-輾牙-堿液去磷-調(diào)質(zhì)熱處理，螺栓表面發(fā)黑處理。據(jù)委托方反映，通過排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過程，未發(fā)現(xiàn)螺栓表面沾染任何外來物質(zhì)或受污染的情況，安裝過程不添加任何潤滑介質(zhì)，裝配完成后靜放12小時發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象[1]，委托方要求分析其失效原因。圖1所示為現(xiàn)場螺栓安裝示意圖，推斷安裝時螺紋末端應(yīng)擰入底座盲孔。圖2所示為送檢試樣宏觀形貌，可見斷口處未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，失效螺栓殘件螺紋牙底存在明顯的銹蝕產(chǎn)物（如圖3箭頭所示）。
圖1 現(xiàn)場螺栓安裝示意圖
圖2 送檢試樣宏觀形貌
圖3 失效螺栓殘件螺紋牙底低倍形貌
圖4 失效螺栓斷口低倍形貌
圖5~圖7所示為A區(qū)微觀形貌，斷面存在腐蝕現(xiàn)象，仍可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。
圖5 A區(qū)微觀形貌
圖6 A區(qū)微觀形貌
圖7 A區(qū)微觀形貌
圖8~圖10所示為B區(qū)微觀形貌，斷面存在腐蝕現(xiàn)象，仍可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。
圖8 B區(qū)微觀形貌
圖9 B區(qū)微觀形貌
圖10 B區(qū)微觀形貌
圖11~圖13所示為C區(qū)微觀形貌，斷面存在腐蝕現(xiàn)象，仍可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。
圖13 C區(qū)微觀形貌
圖14 D區(qū)微觀形貌
圖15 D區(qū)微觀形貌
圖16 D區(qū)微觀形貌
圖17、18所示為失效螺栓斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果，可見腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，并存在少量磷、硫、氯、鈉等元素。
圖17 斷面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果
圖18 斷面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果
圖19、20所示為失效螺栓螺紋牙底腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果，可見腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，并存在大量磷元素及少量硫、氯、鈉、鈣、鉀等元素，腐蝕性元素類別與斷面一致。
圖19 螺紋牙底腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果
圖20 螺紋牙底腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果
圖21所示為失效螺栓表面發(fā)黑層能譜分析結(jié)果，可見發(fā)黑層主要成分為鐵和氧，未發(fā)現(xiàn)磷元素。
圖21 螺栓表面發(fā)黑層能譜分析結(jié)果
3. 金相檢測
截取失效螺栓縱截面進行金相觀察，起裂區(qū)附近金相組織如圖22所示，可見起裂區(qū)附近螺紋牙底存在大量由表面萌生并沿垂直方向擴展的微裂紋（圖23所示），螺紋表面未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳或増?zhí)棘F(xiàn)象。
圖22 失效螺栓起裂區(qū)金相組織
圖23 起裂區(qū)附近螺紋牙底金相組織
圖24所示斷口相鄰螺紋牙底金相組織，未發(fā)現(xiàn)裂紋、折疊等不連續(xù)性缺陷或明顯的脫碳、増?zhí)棘F(xiàn)象。
圖24 斷口相鄰螺紋牙底金相組織
圖25~圖27所示斷裂擴展區(qū)縱截面金相組織，斷面附近存在明顯的分支裂紋。
圖25 斷裂擴展區(qū)縱截面金相組織
圖26 斷裂擴展區(qū)縱截面金相組織
圖27 斷裂擴展區(qū)縱截面金相組織
圖28~30所示為分支裂紋附近顯微組織，可見分支裂紋均以沿晶形式擴展。
圖28 分支裂紋附近顯微組織
圖29 分支裂紋附近顯微組織
圖30 分支裂紋附近顯微組織
圖31所示為失效螺栓芯部顯微組織，為均勻的回火索氏體組織，無異常。
圖31 失效螺栓芯部顯微組織
圖32所示分別為失效螺栓非金屬夾雜物形態(tài)，根據(jù)“GB/T 10561-2005”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，判定為D類球狀氧化物（細系）1級，無異常。
圖32 失效螺栓非金屬夾雜物形態(tài)
4.性能檢測
對失效螺栓與完好螺栓分別進行表芯硬度檢測，結(jié)果如表1所示，表芯硬度均符合“GB/T 3098.1-2010”標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于12.9級螺栓的規(guī)定。
對完好螺栓進行實物拉伸試驗，當(dāng)拉力值達到202.8kN時，螺栓斷裂于未旋合螺紋部位，經(jīng)計算得螺栓抗拉強度為1292MPa，符合“GB/T 3098.1-2010”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（≥1220MPa）。
5. 化學(xué)成分分析
采用直讀光譜法對失效螺栓進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示，符合“JIS G4053:2008”標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于SCM435鋼的規(guī)定。
6．綜合分析
送檢試樣顯微組織、螺紋表面缺陷，脫碳、増?zhí)?、非金屬夾雜物、力學(xué)性能、化學(xué)成分、基體氫含量等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常。宏觀形貌顯示，失效螺栓斷口附近未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，螺紋牙底及斷面存在明顯的腐蝕產(chǎn)物。微觀形貌顯示，大部分斷面均可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，能譜分析顯示斷面腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，并存在少量磷、硫、氯等腐蝕性元素，元素種類與螺紋牙底的腐蝕產(chǎn)物基本一致。螺栓服役時主要承受軸向拉應(yīng)力作用，螺紋牙底與斷面的腐蝕產(chǎn)物說明螺栓服役環(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)，同時滿足了應(yīng)力腐蝕的兩個條件，即拉應(yīng)力條件和特定的腐蝕介質(zhì)。因此綜合斷口形貌特征、能譜分析結(jié)果及服役環(huán)境判斷送檢螺栓失效模式為應(yīng)力腐蝕斷裂。
據(jù)委托方反映，螺栓表面發(fā)黑處理，通過排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過程，均未發(fā)現(xiàn)螺栓表面沾染任何外來物質(zhì)或受污染的情況，同時螺栓安裝過程不添加任何潤滑介質(zhì)，因此推斷腐蝕介質(zhì)并不是由螺栓帶入，可能積聚在底座盲孔中，且該腐蝕介質(zhì)中可能含有磷、硫、氯、鈉、鉀、鈣等元素；在腐蝕環(huán)境中表面發(fā)黑處理的耐蝕能力明顯不足，螺栓表面易發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕環(huán)境條件的形成。
7. 結(jié)論
（1）送檢螺栓失效模式為應(yīng)力腐蝕斷裂；
（2）引起螺栓斷裂的主要原因是螺栓服役過程中接觸腐蝕介質(zhì)。
注[1]：該信息由委托方提供，本實驗室不負責(zé)其真實性驗證。