图 1镶嵌机变形部位外观
螺栓连接具有施工简单、可拆卸、承受载荷大、耐疲劳等优点，被广泛应用在诸多领域[1]。螺栓是一种重要的紧固件，其失效故障造成的危害较大[2]。
某型号自动镶嵌机在正常使用时压盖发生变形（见图1）。经检查发现该部位一侧4根连接螺栓发生断裂（见图2）。螺栓材料为35Cr钢，规格为M8 mm×30 mm（直径×长度），表面发黑处理，性能等级为12.9级。笔者采用一系列理化检验方法分析了螺栓断裂的原因，以避免该类事故再次发生。
1. 理化检验
1.1 化学成分分析
对断裂螺栓进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对35Cr钢的要求。
Table 1.断裂螺栓的化学成分分析结果
1.2 宏观观察
采用体视显微镜对4根螺栓断口进行宏观观察，结果如图3所示。由图3可知：螺栓断口表面呈现3种颜色，裂纹源区呈灰色，1号和2号螺栓裂纹源区可见锈迹特征，存在陈旧性裂纹，有明显的撕裂脊，表明螺栓不是一次断裂，因为只有在镶嵌机工作时，螺栓才会受到交变载荷，镶嵌完成后载荷消失，导致螺栓开裂后并未完全断裂；扩展区呈银灰色，可见贝壳状条纹；瞬断区呈现暗灰色；从氧化程度可以看出，1号螺栓最早出现开裂，开裂后应力集中得到释放，再次受力时，2号螺栓应力集中程度增大并发生开裂，循环多次以后，3号螺栓同样出现开裂，但3号螺栓断口没有明显氧化现象，表明3号螺栓开裂后，镶嵌机在短时间内再次加压，导致4根螺栓瞬时断裂，4根螺栓的裂纹源均在螺纹牙底，呈线源特征，裂纹源区可观察到明显的台阶和放射棱线。
1.3 金相检验
在1号和4号螺栓断口位置截取金相试样，用硝酸乙醇溶液腐蚀试样，依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》对试样进行金相检验，结果如图4所示。由图4可知：断裂螺栓的显微组织均为正常回火索氏体，除牙顶存在折叠外，未发现其他表面不连续性，牙顶深度不超过牙型高度的25%，符合GB/T 5779.3—2000《紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 特殊要求》标准中允许存在的缺陷；螺栓牙底有明显的白亮层，并且存在微裂纹。
1.4 扫描电镜(SEM)及能谱分析
采用场发射扫描电镜对螺栓断裂口进行观察，结果如图5所示。由图5可知：断裂源区和扩展区可见明显的疲劳条带，主要呈疲劳特征[3-6]。
对螺栓断口进行能谱分析，结果如表2所示。由表2可知：1号和2号螺栓断裂源区的氧元素含量较高，表明1号和2号螺栓存在陈旧性裂纹。
Table 2.4根螺栓断口能谱分析结果
对螺栓白亮层进行能谱分析，结果如图6所示。由图6可知：白亮层中P元素含量较高，且大多只存在于牙底，可以判断白亮层应为磷聚层。12.9级螺栓表面存在磷聚层会降低螺栓的抗疲劳性能，增大螺栓表面脆性[7-14]，在镶嵌机工作过程中，磷聚层易萌生微裂纹，产生裂纹源，导致螺栓在低应力下发生疲劳断裂。
1.5 硬度测试
依据GB/T 4340.1—2009 《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》对断裂螺栓进行维氏硬度测试，结果如表3所示。由表3可知：断裂螺栓的硬度为402~415 HV，符合GB/T 3098.1—2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对12.9级螺栓的要求。
Table 3.断裂螺栓的硬度测试结果
2. 有限元分析
利用Ansys软件对断裂螺栓进行有限元分析，结果如图7所示，对螺栓进行建模并进行结构化网格划分。由图7可知：镶嵌机加压时接合处螺纹牙底应力集中程度较大，螺栓的应力远小于其屈服强度，螺栓局部存在明显的应力集中。
3. 综合分析
由上述理化检验结果可知，螺栓断口无明显塑性变形，宏观可观察到贝壳状条纹，贝纹线弧度向瞬断区扩展，表明两侧裂纹扩展速率快于心部裂纹扩展速率，且断裂部位位于螺纹牙底，存在明显的应力集中。断裂源区可观察到明显的台阶和放射棱线，断裂源区和扩展区可见明显的疲劳条带。因此，可以判定螺栓的断裂性质为疲劳断裂。
镶嵌机在工作过程中，电机输出恒定压力以保证镶嵌试样的致密度，镶嵌料由粉末颗粒状先溶化、再凝固成块状，由于材料的体积逐渐减小，为了保证压力，镶嵌机反复加压使材料产生间歇性载荷，镶嵌完成后载荷消失。镶嵌机加载曲线如图8所示，镶嵌机施加的最大压力约为32.09 MPa。
镶嵌机工作时需要加热熔化镶嵌料，由于热传导的作用，螺栓也会升温产生热应力，热应力的计算方法如式（1）所示。
式中：σ为热应力；E为材料弹性模量；α为材料热膨胀系数；ΔT为材料变化温度。
镶嵌机工作的最高温度约为160 ℃，由于热传导的作用，螺栓升温至约50 ℃时，35Cr钢的弹性模量为205 GPa，热膨胀系数为1.2×10－5℃－1，可以计算出此时螺栓受到的热应力约为0.154 MPa。综上分析表明，镶嵌机工作时螺栓受到的最大应力约为32.244 MPa，远小于螺栓的屈服强度。
4. 结论与建议
螺栓局部存在明显应力集中，热处理前去磷处理不当，导致热处理后在牙底凹坑处形成磷聚层。在镶嵌机工作时，螺栓受到交变应力的作用，牙底磷聚层萌生了微裂纹，最终导致螺栓发生疲劳断裂。
建议在热处理前进行去磷处理，加强螺栓的质量控制
来源--材料与测试网