通過化學成分分析、金相分析、電鏡分析等方法對斷裂原因進行了分析。
01
理化檢驗
所取螺栓斷裂位置位于螺桿的螺紋位置，螺栓斷裂一端斷面呈黃褐色是由于磨損及污染嚴重，斷口形貌基本無法觀察，斷裂另一端斷口斷面較平齊，也有磨損和輕微銹蝕現象，但仍可見貝殼狀條紋，為典型疲勞斷裂形貌,未發現其他冶金缺陷存在，見圖1～圖3。
▲ 圖 1 螺栓斷裂位置示意圖（箭頭所指為螺栓斷裂處）
▲ 圖 2 螺栓斷裂斷口宏觀形貌之一
對斷裂螺栓斷口經超聲波清洗后在蔡司EVO18掃描電鏡下觀察，斷面上有明顯貝殼狀疲勞輝紋形貌，螺栓斷裂起源于螺栓螺牙處，斷裂源區存在明顯的撕裂棱，斷裂源區和裂紋擴展區微觀斷裂形貌為解理或準解理斷裂，瞬斷區微觀形貌為韌窩斷裂，這些均為斷裂的基本特征，見圖4～圖5。
▲ 圖 4 螺栓斷裂面微觀形貌之一
02
技術分析
1、化學成分分析表明，螺栓的化學成份符合GB/T 3077-2015《合金結構鋼》標準中對40Cr鋼的化學成分規范。
2、宏觀檢驗分析表明，所取螺栓斷裂位置位于螺桿的螺紋位置，螺栓斷裂一端斷面呈黃褐色是由于磨損及污染嚴重，斷口形貌基本無法觀察，斷裂另一端斷口斷面較平齊，也有磨損和輕微銹蝕現象，但仍可見貝殼狀條紋，為疲勞斷裂特征，未發現其他冶金缺陷存在，說明此螺栓屬于疲勞斷裂。
3、掃描電鏡檢驗表明，螺栓斷裂起源于螺栓螺牙處，斷裂源區存在明顯的撕裂棱，斷裂源區和裂紋擴展區微觀斷裂形貌為解理或準解理斷裂，瞬斷區微觀形貌為韌窩斷裂，這些均為斷裂的基本特征；斷裂螺栓斷口附近縱向表面，發現斷裂源處螺紋表面均存在撕裂狀裂紋，螺紋牙處發現存在細小裂紋，細小裂紋占據大部分螺紋圓周。
由此可以說明，螺栓螺紋牙處存在細小缺陷，在螺栓受力過程中，裂紋處屬于應力集中點，隨著螺栓的使用，此處慢慢形成疲勞裂紋，最后造成疲勞斷裂，螺紋處細小裂紋是造成螺栓斷裂的重要原因。
4、金相檢驗分析表明，在靠近斷面的螺紋牙底存在約2.6mm長的裂紋，此裂紋內無灰色氧化物，經硝酸酒精腐蝕后，周圍無脫碳現象，此裂紋可能為應力開裂裂紋；在螺紋牙底和牙尖發現的細小裂紋內及周圍都存在灰色氧化物，經能譜分析，裂紋縫隙內灰色氧化物主要含有“O”、“Al”、“Fe”元素，實為氧化鐵，說明此處細小裂紋在螺栓熱處理之前就已經存在，之后經過熱處理，裂紋處氧化形成氧化鐵；裂紋周圍有明顯的組織變形流線存在，說明此處加工變形量大。
5、硬度檢驗分析表明，螺栓螺紋牙處硬度在34～35HRC之間，螺栓基體硬度在36～39HRC之間，符合10.9級螺栓的硬度要求，說明螺栓強度合格。
6、綜上所述：該螺栓斷裂為疲勞斷裂，斷裂源起源于表面，螺栓表面螺紋牙尖及牙底存在細小裂紋缺陷是該螺栓斷裂的重要原因，螺栓在受力過程中裂紋缺陷處引起應力集中，裂紋不斷擴展并最終導致斷裂。
因為疲勞的主要原因為交變載荷作用，預緊力不足是導致交變載荷增大的主因，材料缺陷是導致應力集中的原因，是早期疲勞失效的一個重要原因。
03
螺絲君經驗與總結
1) 該螺栓斷裂為疲勞斷裂，斷裂源起源于表面，螺栓表面螺紋牙尖及牙底存在細小裂紋缺陷是該螺栓斷裂的重要原因，螺栓在受力過程中裂紋缺陷處引起應力集中，裂紋不斷擴展并最終導致斷裂。
而螺栓螺紋牙尖及牙底存在的裂紋缺陷可能為螺栓搓絲過程中產生的裂紋缺陷。
2) 建議提高螺栓加工過程的精度與質量，避免螺栓搓絲過程中造成的螺紋絲牙損傷。