李岳烽，黃 珂，譚 鋒，譚彥顯

（1.湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，湖南長沙 410007；2.湖南申億精密零部件股份有限公司，湖南長沙 410116）

0 引言

緊固件是將兩個或兩個以上的零件（或構(gòu)件）緊固連接成為一個整體時所采用的一類機(jī)械零件的總稱。其體積小、成本低，且標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的程度極高，對工業(yè)成品的重要性不言而喻。

金屬緊固件無處不在，是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械零部件[1]，可將其分為螺栓、螺釘、螺柱、螺母、木螺釘、自攻螺釘、墊圈、鉚釘、銷、擋圈、鏈接副和緊固件、組合件等13 大類[2]。這些機(jī)械零部件都具備一定的功能，承擔(dān)各種各樣的工作任務(wù)，如承受載荷、傳遞能量、完成某種規(guī)定的動作等。當(dāng)這些零件失去其原有的功能時，則稱該零件失效[3]。在整個生命周期中緊固件都存在失效的風(fēng)險(xiǎn)，工程上通常按照產(chǎn)品失效后的外部形態(tài)將失效現(xiàn)象分為過量變形、斷裂及表面損傷。其中，由環(huán)境介質(zhì)和疲勞引起的斷裂是目前高強(qiáng)度緊固件最常見也是損失最大的失效形式[4]，具體分類見表1。

表1 斷裂失效形式分類及原因

針對以上3 類緊固件斷裂失效形式的案例分別進(jìn)行討論與分析，為預(yù)防緊固件失效提供理論基礎(chǔ)和參考。

1 環(huán)境介質(zhì)引起的斷裂

環(huán)境介質(zhì)引起的失效是指由環(huán)境介質(zhì)、應(yīng)力共同作用引起的低應(yīng)力開裂及破斷失效情況，主要包括應(yīng)力腐蝕、氫脆、液態(tài)金屬脆化和腐蝕疲勞[5]。大多數(shù)的金屬緊固件產(chǎn)品均處于一定的應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力或外加應(yīng)力）和環(huán)境介質(zhì)的聯(lián)合作用下，所以應(yīng)力作用下的腐蝕最為常見，是影響結(jié)構(gòu)安全可靠性的重要隱患之一[6]。通常引起應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)并無強(qiáng)烈的腐蝕性，在沒有施加應(yīng)力的條件下，這種腐蝕介質(zhì)并不會對零件產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞；當(dāng)零件承受的應(yīng)力遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限時，如果沒有腐蝕介質(zhì)也不會發(fā)生破壞。但應(yīng)力條件和腐蝕條件同時存在后，應(yīng)力腐蝕就可能使零件產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。應(yīng)力腐蝕一般是在其承受的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料使用應(yīng)力的情況下突然發(fā)生，通常沿某些冶金或結(jié)構(gòu)缺陷（包括尖角、內(nèi)應(yīng)力集中處）優(yōu)先腐蝕造成裂紋核心，并且隨著時間的延長做緩慢亞臨界擴(kuò)展，經(jīng)過相當(dāng)時間后裂紋達(dá)到臨界尺寸，便突然脆斷[7]。應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)有：裂紋在宏觀上較平直，但多可見分叉、花紋及龜裂，微觀裂紋一般既有主干又有分支，裂紋的尖端較銳利；斷口在宏觀上比較粗糙，多呈結(jié)晶狀、放射狀，微觀上常有撕裂棱，晶間呈冰糖塊狀花樣，無輝紋出現(xiàn)[8]。

圖1 為湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院檢測在裝配過程中斷裂的風(fēng)力發(fā)電機(jī)高強(qiáng)螺栓斷裂后的斷口截面宏觀形貌，對其斷口進(jìn)行超聲波清洗后可見螺栓斷口有大面積、較明顯的放射花樣，靜載荷下宏觀斷口放射花樣放射源放射方向應(yīng)與裂紋擴(kuò)展方向平行，垂直于裂紋前沿的輪廓線并逆指向裂紋源，在裂源處未見纖維區(qū)，表明裂紋是快速失穩(wěn)擴(kuò)展的過程。經(jīng)過檢測分析，此類螺栓材料裂源位于螺紋與桿部交接的螺紋處，與裂源處類似的相應(yīng)位置都存在形狀相似的裂紋（均似樹枝狀），每根主裂紋又有若干條分叉裂紋，這種形狀的裂紋與應(yīng)力腐蝕開裂的形式高度吻合，再加上其延滯開裂的特點(diǎn)，因此認(rèn)定該螺栓屬應(yīng)力腐蝕開裂[9]。該類缺陷主要是在加工過程中產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，由于沒有消除加工形變的內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致在環(huán)境介質(zhì)（如潮濕的空氣）條件下發(fā)生失效。

圖1 斷裂螺栓宏觀斷口形貌

化學(xué)反應(yīng)釜法蘭部位普遍采用不銹鋼緊固件螺栓進(jìn)行連接，生產(chǎn)時伴有氧化和一些腐蝕性元素（如S、Cl、O 等）。圖2為反應(yīng)釜中斷裂螺栓的形貌[10]，可以看出斷口均較平整，無明顯的塑性變形，宏觀觀察顯示為脆性斷口；微觀呈現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕形貌，斷口主要為穿晶斷裂。

圖2 反應(yīng)釜中斷裂螺栓的形貌

金屬材料中的應(yīng)力腐蝕斷裂，通常發(fā)生在其承受的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度的條件下，即應(yīng)力腐蝕斷裂具有低應(yīng)力、突發(fā)性，且在材料斷裂前期無明顯的塑性變形現(xiàn)象，斷口通常較為平整。

2 疲勞斷裂

疲勞斷裂是金屬緊固件在應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種故障形式，失效形式包括低周疲勞、高周疲勞、振動疲勞（微振疲勞）和高溫疲勞等。但其基本形式只有兩種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞和由正應(yīng)力引起的正斷疲勞，其他形式的疲勞斷裂都是這兩種基本形式在不同條件下的復(fù)合。從緊固件在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的疲勞斷裂來看，目前主要是由于周期交變作用力的情況下引起的低應(yīng)力破壞[11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在風(fēng)電領(lǐng)域目前普遍采用不高于10.9 級的緊固件和達(dá)克羅工藝，氫脆發(fā)生的概率較低，而疲勞斷裂較為普遍[12]。因此，金屬零件的疲勞失效仍是研究的重點(diǎn)。

疲勞斷裂的宏觀斷口一般由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)3 個部分組成[13]。某吊車回轉(zhuǎn)支承與車架大法蘭連接處螺栓，在使用2 個月左右后全部斷裂，其相同規(guī)格、同批次的螺栓制造材料為20MnTiB，生產(chǎn)工藝過程為：下料→鐓頭→初車→調(diào)質(zhì)處理→精車→滾牙→表面達(dá)克羅（圖3）。經(jīng)檢測分析，斷裂螺栓的宏觀斷口上有3 個比較明顯的特征區(qū)域，分別為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。其中，裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)所占斷口面積很小，約占整個斷口的1/3，而瞬斷區(qū)所占斷口面積大，約占整個斷口的2/3。瞬斷區(qū)面積比例大，說明螺栓斷裂前所受的外力較大，符合低周疲勞斷裂的特征[14]。

圖3 吊車回轉(zhuǎn)支承與車架大法蘭連接螺栓斷裂

圖4 為斷裂螺栓的金相組織及裂紋源處形貌，可以看出金相組織為回火低碳板條馬氏體，其裂紋起源于螺紋根部，裂紋源處牙根形狀不光滑，有基體金屬的缺失留下的凹坑，裂紋沿凹坑尖角處開始向內(nèi)沿伸。

圖4 斷裂螺栓的金相組織與裂紋源處形貌

這類缺陷主要是應(yīng)力比較大，其形核時間較短，由于應(yīng)力集中的原因，疲勞裂紋源容易在缺口根部形成[15]。因此，如果連接螺栓螺紋根部不光滑，存在一些細(xì)小凹坑，在凹坑處則會產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成裂源，最終導(dǎo)致低周疲勞斷裂。

3 過載斷裂

過載斷裂通常是指當(dāng)工作載荷超過金屬零件所承受的最大載荷時發(fā)生的斷裂。過載斷裂不同于累積損傷效應(yīng)造成的緩慢損壞，而是在超出產(chǎn)品極限應(yīng)力下結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)破壞[16]。金屬零件在工程中的應(yīng)用，在材料性質(zhì)確定后，零件的過載斷裂只取決于零件截面的正應(yīng)力和截面的有效尺寸。零件發(fā)生過載斷裂失效通常顯示一次加載斷裂特征。對于宏觀塑性過載斷裂，在其宏觀斷口上一般可以看到纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇3 個特征區(qū)，也被稱為斷口的三要素。大多數(shù)的單相金屬和低碳鋼，其過載斷裂的斷口形貌具有典型的三要素特征，但是一些高強(qiáng)度的材料和一些復(fù)雜的工業(yè)合金等，其裂紋源位于纖維區(qū)內(nèi)的環(huán)形花樣中心，且放射區(qū)細(xì)小、剪切唇也較小；中碳鋼和中碳合金鋼的調(diào)質(zhì)狀態(tài)，斷口形貌主要是粗大的放射剪切花樣，纖維區(qū)和剪切唇基本不存在；而塑性較好的材料其斷口形貌恰好相反，過載斷裂的斷口上可能只有纖維區(qū)和剪切唇，不存在放射區(qū)。

圖5 為摩托車連接負(fù)重輪和彈性元件的平衡軸宏觀斷口形貌，制造該平衡軸的材料是20CrMo 鋼，經(jīng)過熱處理后使用5 h后發(fā)生斷裂。圖6 為其在電鏡下觀察的微觀形貌，經(jīng)檢測分析：平衡軸在銷孔處斷裂，斷口無明顯的塑性變形，斷口處顏色呈淺灰，在外表層的斷口具有明顯的撕裂與沿晶斷裂特征，銷孔壁斷口有撕裂變形韌窩。未發(fā)現(xiàn)材料加工缺陷以及疲勞斷裂的痕跡，可以確定該平衡軸斷裂為過載斷裂。其主要原因是裝機(jī)過程中負(fù)載不合理，在服役過程中受到了過大的交變應(yīng)力。

圖5 平衡軸斷裂的宏觀形貌

圖6 平衡軸斷裂的微觀形貌

對某20MnTiB 的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行斷裂失效分析，圖7 是其經(jīng)超聲波清洗后的宏觀斷口，斷口上有兩個比較明顯的特征區(qū)域，即纖維區(qū)和放射區(qū)。其中：纖維區(qū)位于斷口的中央，裂紋核心在該區(qū)域內(nèi)形成；放射區(qū)中有明顯的放射纖維，每根放射纖維與裂紋擴(kuò)展方向平行，垂直于裂紋前沿的輪廓線，逆指向裂紋源。經(jīng)檢測分析，這種斷口形貌符合靜拉力條件下的斷裂特征，即可認(rèn)為該螺栓是在外力作用下拉斷所致。

圖7 20MnTiB 螺栓斷口形貌

簡單來說，斷口的纖維區(qū)較大則材料塑性較好，反之放射區(qū)增大則表面塑性較低、較脆。此外，零件的幾何形狀與尺寸也對斷口形貌特征具有一定影響，其幾何尺寸越大放射區(qū)的范圍也越大，而纖維區(qū)和剪切唇增加的幅度較小。環(huán)境對過載斷裂的斷口也存在一定影響，當(dāng)溫度升高時材料的塑性會增加，造成纖維區(qū)和剪切唇變大，放射區(qū)相對變小。

4 結(jié)束語

緊固件作為一種重要的通用基礎(chǔ)件，品種多且性能各異，失效形式也多種多樣。斷裂失效在機(jī)械零件中是最常見、也是危害最大的失效類型。為了預(yù)防緊固件的失效，可以從降低材料應(yīng)力集中及提高零件的疲勞強(qiáng)度入手。應(yīng)力集中現(xiàn)象是普遍存在的，通常采取局部強(qiáng)化（如表面熱處理強(qiáng)化、薄殼淬火等）來減少應(yīng)力集中。同時對零件進(jìn)行設(shè)計(jì)[17]（如在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位增開缺口和圓孔）使應(yīng)力的流線較為平緩，從而降低應(yīng)力峰值改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。提高零件的疲勞強(qiáng)度是預(yù)防發(fā)生疲勞斷裂的根本措施，噴丸強(qiáng)化[18]是提高緊固件疲勞壽命的有效方法之一，通過延緩疲勞裂紋萌生，提高零件的疲勞強(qiáng)度。因此，正確地選擇材料和設(shè)定熱處理工藝，可以降低失效發(fā)生率，有助于產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高。