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(jié)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(cè)的頭桿結(jié)合處（圖11-21）,，向另一側(cè)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宏觀疲勞區(qū) 圖11-23裂紋區(qū)金相分析

表明裂源區(qū)存在多個裂源,，這些裂源均始于頭桿結(jié)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(guān)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(jié)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(jié)果均表明疲勞裂紋起始于頭桿結(jié)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(guān)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(jié)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(jié)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(jié)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(guān),，也與中心區(qū)域的疏松有關(guān)。

（3） 對螺栓的原材料,，加工過程進行質(zhì)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,。