在客户要求我们进行的紧固件失效分析中，最常见的包括可完全预防的疲劳失效。今天，我们正好审视这个案例。我们收到六件断裂的1/2”直径×5”长的螺栓并进行金相失效分析。这些螺栓是用在垂直输送带机夹持装置上夹住活动末端的。断裂螺栓服役不到三个月。除了断裂螺栓外，客户还提交了两件已服役四到五年没有失效的螺栓，用以对比分析。所有螺栓据称为SAE 5级螺栓。两件完整“旧螺栓”标记为A1和A2。为便于跟踪，断裂螺栓标记为B1到B6。客户要求每件断裂螺栓都要记录，但选择无损检测的断裂螺栓不能多于三件。每个夹紧装用一件螺栓，依据输送带的尺寸规定螺栓拧紧时扭矩载荷为75ft-lb或100ft-lb。外观检查用立体显微镜在7.5×到70×放大倍率下对螺栓进行外观检查。在A和B螺栓之间，有个明显差异：杆体长度和螺纹长度不同。旧A螺栓杆体部分平均3.5”长，而失效的B螺栓3.6”长。这就意味着螺母旋入B螺栓接近最后一牙螺纹。比较中，在拧紧螺母后显示A螺栓有几牙旋入保留的螺纹磨损。两组螺栓杆体直径相同。A和B螺栓头部标志符合SAE 5级要求。A螺栓头部标志显示由某知名美国制造商制造，而B螺栓标志则显示来自中国制造商。立体显微镜检查反映出，所有B螺栓是由疲劳损伤导致断裂。有些螺栓显示在最终失效前出现单向弯曲疲劳断裂扩展，有些显示从反方向的反向弯曲疲劳断裂扩展。这反向弯曲疲劳扩展，一边明显要比另一边短得多。每件B螺栓断裂用照片记录。有三个主要形态区(即光滑疲劳区，粗糙疲劳区和过载区;在我国称为裂纹源区，裂纹扩展区和瞬断区)，图1显示B螺栓断裂的典型。疲劳断裂普遍使螺栓在最终断裂前直径增加2/3-3/4，这表明螺栓是处于低应力高周疲劳条件下。通过检查B螺栓螺纹残留部分发现，几件螺栓在尾部形成次疲劳裂纹(如图2所示)，这正是紧固件疲劳损伤的特征。

　　显微组织检查

　　从样本A1、B2和B6中切取横向和纵向截面，为在放大倍率从25×到1000×的金相检查制备，抛光并用2%硝酸酒精溶液蚀刻。检查A1螺栓螺纹没有发现疲劳裂纹损伤迹象，与此相反，B螺栓截面显示次疲劳裂纹出现在螺纹底部(如图3所示)。

　　★图3.B6螺栓螺纹抛光截面显示从螺纹底部扩展的疲劳裂纹(抛光，50×)化学分析对来自A和B螺栓样本截面进行化学成分分析，与在SAEJ429-2011修订版规定SAE 5级螺栓的成分要求进行比较。由于添加铬，A螺栓鉴定为合金钢，除了碳含量比合金钢螺栓中要求的碳最大值0.40%略超0.01%外，符合SAE 5级要求。B螺栓含量没有合金添加，符合SAE 5级普碳钢螺栓要求。

　　室温拉伸试验

　　从螺栓样品A1，B1和B2中机加工0.160”直径试件做拉伸试验。样品A1和B2满足按SAE J429-2011的最小抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率的要求。然而样品B1不满足SAE规定的最小抗拉强度要求，并且经比较其屈服强度低于样品A1和B2。显微压痕硬度试验在努普硬度仪上用500gf试验载荷，在螺栓横截面上进行显微压痕硬度试验。硬度在接近表面、半径一半和芯部处取样。努氏硬度值按ASTM E140-07转换到相近的洛氏C硬度值。结果满足SAE J429-2011修订版对5级螺栓的要求。注意表面硬度减少是因为脱碳。

　　结论

　　螺栓断裂失效作为疲劳损伤的结果。在最终断裂前螺栓持续大幅度断裂损伤，表明螺栓强度不是主要问题。有证据表明是因高周循环、低应力的疲劳环境所致。没有迹象表明是机械性能、化学成分或热处理反应中变化而造成螺栓失效。疲劳是循环应力的结果，螺栓在这种情况下主要是弯曲应力或对某些螺栓则是反向弯曲疲劳应力。这表明螺栓没有充分拧紧，这将允许螺栓在夹紧工具中运动。金属最有可能从夹紧装置中产生污垢，因此估计是螺栓在服役中冲击夹紧装置，导致看到螺纹变形并产生初始疲劳裂纹所需的循环应力。应该注意，疲劳引起失效所需应力明显小于拉伸或剪切失效。建议卸下在垂直输送机上服役的所有螺栓，在至少10×放大倍率下，检查在螺纹底部的疲劳裂纹，以及以夹紧装置冲击的迹象。如没有疲劳裂纹，螺栓应重新安装并用正确扭矩拧紧。美国制造的旧螺栓和中国失效的螺栓，这两套螺栓都符合SAE对5级螺栓的要求，然而却有细微的差别。化学分析发现旧美国螺栓是由合金钢制造，而中国螺栓是由普碳

　　钢制造。两种材料都是SAE 5级螺栓允许的。两套螺栓显示类似的硬度值。一件旧螺栓和一件断裂螺栓的抗拉强度结果也相似。虽然另外一件断裂螺栓不满足SAE 5级最小抗拉强度要求，但没有迹象说明其性能受到影响。热处理反应对所有螺栓都是可接受的。此外，所有螺栓都显示有些许脱碳，按ASTM F2328-05这些产品均属可接受的范围内。

　　讨论

　　本案例说明，正确的设计和适当的材料组合以及与随后不当安装程序组合，往往会产生很多问题。问题可能包括信誉度受损、实验室费用、检查成本和额外的培训费用。在某些情况下，紧固件拧紧不当可能还会造成人身伤害甚至死亡。谨代表各地紧固件制造商，我们鼓励为所有终端用户提供培训和监管，以确保正确扭矩安装所有紧固件。

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