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如何对螺丝进行失效分析呢?725所告诉你螺丝失效分析的检测方法与标准

发布日期:2017-09-11浏览次数:
    某液压缸盖紧固用螺钉在进行试验时发生断裂。采用外观检查、断口宏微观观察、金相检验和硬度测试等方法对两枚断裂失效螺钉进行了分析。结果表明,螺钉A 失效性质为过载断裂,其断裂原因主要与装配时拧紧力过大从而产生了扭转剪切开裂损伤有关; 螺钉B 失效性质为疲劳断裂,其断裂原因主要与螺钉B 表面存在脱碳层导致疲劳强度大幅降低有关,且在装配时发生倾斜,螺钉一侧存在附加拉应力,对疲劳失效也有一定的促进作用。725所建议严格控制热处理工艺和装配过程力矩大小,并加强螺钉孔和螺钉的加工精度控制。
 
    0Cr17Ni4Cu4Nb 钢是在Cr17 型不锈钢基础上,加入Cu、Nb 等强化元素研制的一种马氏体沉淀硬化不锈钢,因0Cr17Ni4Cu4Nb 钢含碳量较低,耐腐蚀性和可焊性均优于马氏体型不锈钢,多用作既要求耐弱酸、碱腐蚀又要求高强度的部件,如紧固件、传动装置等零件。螺钉作为重要的紧固件,其失效事故发生较多,造成的危害很大。
 
    某液压缸盖紧固用螺钉在加压进行试验2 h 后,检查发现分布于缸盖四个角的螺钉之一断裂。之前在同类型的装置和试验过程中也出现过一个螺钉断裂的现象。螺钉A 材料牌号为0Cr17Ni4Cu4Nb 钢,紧固缸盖承受22 MPa 液压。螺钉B 材料牌号为30CrMnSiA钢,紧固缸盖承受24 MPa 液压,工作环境温度均为常温。通过对断裂螺钉进行外观及断口宏微观观察、显微组织检查和硬度测试,以确定螺钉的断裂性质和原因,并给出了改进措施。
 
    1、试验过程与结果
 
    1.1、外观及断口宏观观察
 
    断裂螺钉A 钉身的外观形貌见图1( a) 。钉身在靠近钉头的螺纹根部发生断裂,且断口较平整,未见明显塑性变形。螺钉断口根据表面特征不同可以分为两个区域,断口1 区和2 区,见图1 ( b) ,其中1 区较粗糙,呈暗灰色近圆形,分布在断口的一侧并与断口相切,相切处螺纹亦发生断裂; 2 区较光滑,呈亮灰色月牙形,环绕在1 区外围。
 
    断裂螺钉B 的外观形貌见图2( a) 。钉身在紧靠钉头的第一道螺纹和第二道螺纹之间发生断裂,未见明显塑性变形。钉头的下端面断口围有环形压痕。钉身表面镀层情况较好,整体呈金黄色。螺钉断口和钉头压痕形貌见图2( b) 。螺钉断面位于螺纹牙底,基本垂直钉身,断口由两部分组成: 呈暗灰色的粗糙区,所占比例约为断口20%; 银灰色的光滑区,所占比例约为断口的80%。其中,平坦区表面可见明显的弧线,弧线圆心指向粗糙区。
 
 
    图1 螺钉A 外观( a) 及断口宏观形貌( b)
 
    图2 螺钉B 外观( a) 及断口宏观形貌( b)
 
    在六边形钉头底部有一道环绕整个断口的压痕,该痕迹呈环形,具有一定的宽度。其圆心与钉身的圆心有一定的偏离,其圆心靠近钉身断口的瞬断区位置。整个压痕圆环宽度也不均匀,在靠近钉身断口的瞬断区位置宽度较小且均匀,在远离瞬断区部位,压痕宽度较大且痕迹较深,不均匀,其附近还有一道独立的压痕圆弧。
 
    2、分析与讨论
 
    1) 螺钉A

 
    通过对断口的微观观察发现,螺钉A 表面均为解理和韧窝断裂特征,属于过载断裂模式。在断口1 区呈现螺旋状扩展放射条纹,从1 区边缘处向中心聚集,条纹台阶处为韧窝,其余表面为解理。断口2 区主要为扭转剪切浅韧窝,表面较1 区平坦。由此判断,首先在螺纹底部产生了扭转剪切裂纹( 2 区) ,而后发生了过载断裂( 1 区) 。螺钉A 的显微组织正常,硬度处于技术要求上限,但硬度偏高对螺钉A 的扭转剪切断裂没有直接影响。
 
    综合以上分析认为螺钉A 的失效过程为: 在螺钉A 装配过程中,由于拧紧力过大,使得螺钉发生开裂,产生断口2 区。此时螺钉并未完全断裂,断口1 区依旧保持连接状态。在之后的试验过程中,螺钉1 区受到纵向的工作应力和预紧力联合作用,最终断裂失效。
 
    2) 螺钉B
 
    螺钉B 疲劳裂纹起源于螺钉螺纹牙底表面,裂纹沿螺纹牙底线形起源,瞬断区主要为韧窝特征。其中,疲劳区和瞬断区所占的比例约为8∶ 2,且扩展弧线圆心指向瞬断区,这种特征符合低应力水平下,存在严重应力集中时的疲劳断裂模式。螺钉B 的钉身表面和心部的显微组织不同,表层出现了大量白色块状铁素体,且越靠近边缘处,铁素体的比例越大。心部组织为针状回火索氏体,越靠近心部,索氏体分布越均匀。同时,表面硬度低于25 HRC,远远低于心部硬度38 HRC,说明螺钉B 表面出现了脱碳层,而脱碳层的存在会降低螺钉的疲劳强度。由螺钉B 钉头的宏观形貌发现,在六边形钉头的底部有一道环绕整个钉身的压痕,该痕迹呈环形,具有一定的宽度。压痕的圆心与钉身的圆心,有一定的偏离,其圆心靠近钉身断口的瞬断区位置,并且压痕挤压损伤程度有较大差异,说明在装配过程中,螺钉受力不均匀,疲劳源区附近存在较严重的应力集中,这也是出现之前描述的疲劳断裂特征的原因。
 
    综合以上分析认为螺钉B 的失效过程为: 螺钉装配后第一道、第二道螺纹本身应力较高,加之由于装配时受力倾斜,使得一侧受到额外的拉应力,这种附加应力与工作应力叠加增大了螺钉局部载荷,而且由于钉身表面存在脱碳层,硬度不能达到使用要求,疲劳强度大幅下降; 因此,在试验过程中,在循环应力的作用下,在螺钉高应力区螺纹牙底表面萌生疲劳裂纹并不断扩展,最后发生断裂失效。
 
    为了提高螺钉的使用可靠性,避免类似的故障再次发生,应针对以下这些因素采取相应的改进措施:
 
    1) 对于螺钉A 类失效,材料本身满足使用要求,则应严格控制可能导致实际扭矩过大的因素,如螺纹尺寸、表面质量及配合面间的润滑以及在装配过程力矩大小,避免螺钉出现早期损伤。
 
    2) 对于螺钉B 类失效,首先要严格控制材料的热处理工艺过程,避免材料表面脱碳层的出现,使材料硬度满足要求。另外应加强螺钉孔和螺钉的加工精度控制,改善装配过程中螺钉一侧出现应力集中的情况。
    3、结论
 
    1) 螺钉A( 0Cr17Ni4Cu4Nb) 断裂性质为过载断裂,该螺钉在装配时产生了扭转剪切开裂损伤,降低了螺钉承载能力,而后在使用中出现断裂失效。
 
    2) 螺钉B( 30CrMnSiA) 断裂性质为疲劳断裂,该螺钉表面存在脱碳层,导致疲劳强度大幅降低是导致其早期疲劳失效的主要原因,同时在装配时发生倾斜,一侧存在附加拉应力,对疲劳失效也有一定促进作用。
 
    3) 建议严格控制导致实际扭矩过大的因素及螺钉材料的热处理工艺,并加强螺钉孔和螺钉的加工精度控制。