委托方提供失效螺栓殘件兩枚，已使用完好螺栓一枚，未使用螺栓三枚，規格為M16×60，等級為12.9級，材質(zhì)為SCM435。
該批次螺栓制造工藝為：成型-輾牙-堿液去磷-調質(zhì)熱處理，螺栓表面發(fā)黑處理。
據委托方反映，通過(guò)排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過(guò)程，未發(fā)現螺栓表面沾染任何外來(lái)物質(zhì)或受污染的情況，安裝過(guò)程不添加任何潤滑介質(zhì)，裝配完成后靜放12小時(shí)發(fā)現螺栓出現斷裂現象[1]，委托方要求分析其失效原因。
圖1所示為現場(chǎng)螺栓安裝示意圖，推斷安裝時(shí)螺紋末端應擰入底座盲孔。
圖2所示為送檢試樣宏觀(guān)形貌，可見(jiàn)斷口處未發(fā)現明顯的塑性變形，失效螺栓殘件螺紋牙底存在明顯的銹蝕產(chǎn)物（如圖3箭頭所示）。
圖1  現場(chǎng)螺栓安裝示意圖圖2  送檢試樣宏觀(guān)形貌圖3  失效螺栓殘件螺紋牙底低倍形貌圖4  失效螺栓斷口低倍形貌圖5~圖7所示為A區微觀(guān)形貌，斷面存在腐蝕現象，仍可見(jiàn)明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。
圖5  A區微觀(guān)形貌圖6  A區微觀(guān)形貌圖7  A區微觀(guān)形貌圖8~圖10所示為B區微觀(guān)形貌，斷面存在腐蝕現象，仍可見(jiàn)明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。
圖8  B區微觀(guān)形貌圖9  B區微觀(guān)形貌圖10  B區微觀(guān)形貌圖11~圖13所示為C區微觀(guān)形貌，斷面存在腐蝕現象，仍可見(jiàn)明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。
圖13  C區微觀(guān)形貌圖14  D區微觀(guān)形貌圖15  D區微觀(guān)形貌圖16  D區微觀(guān)形貌圖17、18所示為失效螺栓斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果，可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，并存在少量磷、硫、氯、鈉等元素。
圖17  斷面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果圖18  斷面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果圖19、20所示為失效螺栓螺紋牙底腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果，可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，并存在大量磷元素及少量硫、氯、鈉、鈣、鉀等元素，腐蝕性元素類(lèi)別與斷面一致。
圖19  螺紋牙底腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果圖20  螺紋牙底腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果圖21所示為失效螺栓表面發(fā)黑層能譜分析結果，可見(jiàn)發(fā)黑層主要成分為鐵和氧，未發(fā)現磷元素。
圖21  螺栓表面發(fā)黑層能譜分析結果3. 金相檢測截取失效螺栓縱截面進(jìn)行金相觀(guān)察，起裂區附近金相組織如圖22所示，可見(jiàn)起裂區附近螺紋牙底存在大量由表面萌生并沿垂直方向擴展的微裂紋（圖23所示），螺紋表面未發(fā)現明顯的脫碳或増碳現象。
圖22  失效螺栓起裂區金相組織圖23  起裂區附近螺紋牙底金相組織圖24所示斷口相鄰螺紋牙底金相組織，未發(fā)現裂紋、折疊等不連續性缺陷或明顯的脫碳、増碳現象。
圖24  斷口相鄰螺紋牙底金相組織圖25~圖27所示斷裂擴展區縱截面金相組織，斷面附近存在明顯的分支裂紋。
圖25  斷裂擴展區縱截面金相組織圖26  斷裂擴展區縱截面金相組織圖27 斷裂擴展區縱截面金相組織圖28~30所示為分支裂紋附近顯微組織，可見(jiàn)分支裂紋均以沿晶形式擴展。
圖28  分支裂紋附近顯微組織圖29  分支裂紋附近顯微組織圖30  分支裂紋附近顯微組織圖31所示為失效螺栓芯部顯微組織，為均勻的回火索氏體組織，無(wú)異常。
圖31  失效螺栓芯部顯微組織圖32所示分別為失效螺栓非金屬夾雜物形態(tài)，根據“GB/T ”標準規定，判定為D類(lèi)球狀氧化物（細系）1級，無(wú)異常。
圖32  失效螺栓非金屬夾雜物形態(tài)4.性能檢測對失效螺栓與完好螺栓分別進(jìn)行表芯硬度檢測，結果如表1所示，表芯硬度均符合“GB/T 3098.1-2010”標準中關(guān)于12.9級螺栓的規定。
對完好螺栓進(jìn)行實(shí)物拉伸試驗，當拉力值達到202.8kN時(shí)，螺栓斷裂于未旋合螺紋部位，經(jīng)計算得螺栓抗拉強度為1292MPa，符合“GB/T 3098.1-2010”標準規定（≥1220MPa）。
5. 化學(xué)成分分析采用直讀光譜法對失效螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結果如表2所示，符合“JIS G4053:2008”標準中關(guān)于SCM435鋼的規定。
6．綜合分析送檢試樣顯微組織、螺紋表面缺陷，脫碳、増碳、非金屬夾雜物、力學(xué)性能、化學(xué)成分、基體氫含量等指標均未發(fā)現異常。
宏觀(guān)形貌顯示，失效螺栓斷口附近未發(fā)現明顯塑性變形，螺紋牙底及斷面存在明顯的腐蝕產(chǎn)物。
微觀(guān)形貌顯示，大部分斷面均可見(jiàn)明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋，能譜分析顯示斷面腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物，并存在少量磷、硫、氯等腐蝕性元素，元素種類(lèi)與螺紋牙底的腐蝕產(chǎn)物基本一致。
螺栓服役時(shí)主要承受軸向拉應力作用，螺紋牙底與斷面的腐蝕產(chǎn)物說(shuō)明螺栓服役環(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)，滿(mǎn)足了應力腐蝕的兩個(gè)條件，即拉應力條件和特定的腐蝕介質(zhì)。
綜合斷口形貌特征、能譜分析結果及服役環(huán)境判斷送檢螺栓失效模式為應力腐蝕斷裂。
據委托方反映，螺栓表面發(fā)黑處理，通過(guò)排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過(guò)程，均未發(fā)現螺栓表面沾染任何外來(lái)物質(zhì)或受污染的情況，螺栓安裝過(guò)程不添加任何潤滑介質(zhì)，推斷腐蝕介質(zhì)并不是由螺栓帶入，可能積聚在底座盲孔中，且該腐蝕介質(zhì)中可能含有磷、硫、氯、鈉、鉀、鈣等元素；在腐蝕環(huán)境中表面發(fā)黑處理的耐蝕能力明顯不足，螺栓表面易發(fā)生腐蝕，導致應力腐蝕環(huán)境條件的形成。
7. （1）送檢螺栓失效模式為應力腐蝕斷裂；（2）引起螺栓斷裂的主要原因是螺栓服役過(guò)程中接觸腐蝕介質(zhì)。