8.8級40Cr制作的六角頭固定螺栓，規(guī)格M24×120mm，表面經(jīng)熱鍍鋅處理。螺栓用于管子間連接起固定作用,服役一段時間后發(fā)生斷裂。

斷裂位置為螺栓頭部與桿部結合處，斷口有銹斑，斷裂螺栓外觀見圖11-20。

斷口經(jīng)清洗后，宏觀上可見整個斷口上有少量銹斑，斷裂起源于一側的頭桿結合處（圖11-21），向另一側擴展；起源處有輕微損傷痕跡。

疲勞源區(qū)可見疲勞臺階，源區(qū)附近的斷口表面平坦、光滑、細密，疲勞擴展區(qū)斷面粗糙；整個斷口可見大量疲勞條帶和疲勞弧形，從疲勞弧線位置和區(qū)域判斷，斷口上瞬斷區(qū)面積很小，不到斷口總面積的5%。

圖11-20  斷裂螺栓形貌                          圖11-21 清洗前斷口宏觀形貌

斷口清洗后宏觀上可見疲勞弧線（圖11-22）。在掃描電鏡下對斷口進行微觀觀察，疲勞源區(qū)的形貌可見較多臺階（圖11-22箭頭所指），裂紋源區(qū)有多條放射狀裂紋（圖11-23），

圖11-22 清洗后斷口宏觀形貌                 圖11-23 裂紋源多條裂紋

表明裂源區(qū)存在多個裂源，這些裂源均始于頭桿結合處，在疲勞擴展區(qū)可看到疲勞條帶（圖11-24），斷面中心區(qū)域有較多孔洞（圖11-25）。

圖11-24 擴展區(qū)解理形貌                  圖11-25 中心區(qū)域孔洞

在掃描電鏡下對斷口化學元素進行能譜分析，在斷口的疲勞源和疲勞擴展區(qū)均未發(fā)現(xiàn)其他腐蝕性元素存在。

用光譜法對斷口附近材料作化學成分檢測，表明螺栓材料成分符合《GB/T 3077-1999》標準中關于40Cr鋼化學成分要求

取斷口附近橫截面進行低倍缺陷分析，按照《GB/T1979-2001》標準進行評級可評為中心疏松1.5級（圖11-26）

在斷口附近進行硬度檢測，表面硬度相對心部硬度要低，檢測結果：表面硬度(HV0.3)238/227/225；心部硬度(HV10) 296/295/295，螺栓表面硬度和心部硬度均符合《GB/T 3098.1-2000》標準要求，

金相檢查，螺栓斷口附近的組織為正常回火索氏體（圖11-27）；斷口附近桿部表面粗糙有細微缺陷，同時還有脫碳，脫碳層深度為0.07mm（圖11-28）。

圖11-26  1.5級中心疏松                 圖11-27  回火索氏體組織

圖11-28 桿部表面缺陷與脫碳

經(jīng)檢測螺栓的化學成分、顯微組織和心部硬度正常。

斷面中心區(qū)域的疏松在掃描電鏡下觀察為孔洞，是原材料本身的低倍缺陷。

用掃描電鏡對斷口進行觀察和能譜分析，螺栓屬疲勞斷裂，其疲勞源和疲勞擴展區(qū)的能譜分析，均未發(fā)現(xiàn)其他腐蝕性元素存，說明裂紋是在使用過程中發(fā)生和發(fā)展的。從疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)的面積看，疲勞擴展區(qū)面積大于整個斷口面積的90%，斷口上疲勞條帶細密，并且可見大量的疲勞條帶，說明螺栓在工作應力下裂紋擴展充分，名義應力較低，螺栓疲勞屬低應力高周疲勞；裂紋源區(qū)有多條臺階條紋，說明源區(qū)存在應力集中。當表面存在缺口、凹坑、尖角等缺陷時，就可能因應力集中而形成臺階條紋，且出現(xiàn)多源疲勞，由于疲勞源區(qū)銹蝕其表面的缺陷已不好判定。通過斷口分析和金相剖面分析結果均表明疲勞裂紋起始于頭桿結合處的脫碳區(qū)域，并檢測到多個疲勞源和裂紋，疲勞源區(qū)的斷口形貌為韌窩形貌；

螺栓存在表面脫碳和表面缺陷，表面缺陷為加工造成；表面脫碳導致螺栓表面硬度下降，降低了螺栓的疲勞強度。依據(jù)相關標準規(guī)定，螺栓本身允許存在一定程度的脫碳，螺栓表面輕微程度的脫碳在螺栓承受靜載荷力下影響不大，本例的螺栓安裝在室外，由于管子自然環(huán)境中會受到不同程度外界環(huán)境影響（如大風，氣溫變化等），連接用的螺栓實際經(jīng)常受到交變應力作用，在長期的交變應力作用下，表面應力集中的地方，因脫碳強度降低后就會成為裂紋的萌發(fā)源。螺栓頭桿結合處為應力集中的地方，在螺栓的長期服役條件下，由于表面脫碳和存在加工缺陷，導致了此處疲勞強度的降低最終使得頭桿結合處成為疲勞源，并形成多源的疲勞裂紋，另外，螺栓還存在中心區(qū)域的疏松缺陷，使疲勞裂紋更容易擴展，在長期的交變應力作用下疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結論與啟示：

（1） 螺栓的表面脫碳和損傷降低了螺栓的疲勞壽命，在應力集中的地方形成多源的疲勞源，在長期的交變應力作用下螺栓疲勞斷裂。

（2） 螺栓疲勞斷裂與表面脫碳和加工缺陷有關，也與中心區(qū)域的疏松有關。

（3） 對螺栓的原材料，加工過程進行質量控制。

（4） 定期更換此類螺栓。

（5） 設計采用抗疲勞性能更好的螺栓。