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(guī)格為M16×60，等級為12.9級，材質為SCM435。
該批次螺栓制造工藝為：成型-輾牙-堿液去磷-調質熱處理，螺栓表面發(fā)黑處理。
據委托方反映，通過排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過程，未發(fā)現(xiàn)螺栓表面沾染任何外來物質或受污染的情況，安裝過程不添加任何潤滑介質，裝配完成后靜放12小時發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象[1]，委托方要求分析其失效原因。
圖1所示為現(xiàn)場螺栓安裝示意圖，推斷安裝時螺紋末端應擰入底座盲孔。
圖2所示為送檢試樣宏觀形貌，可見斷口處未發(fā)現(xiàn)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物（如圖3箭頭所示）。
圖1  現(xiàn)場螺栓安裝示意圖圖2  送檢試樣宏觀形貌圖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(qū)微觀形貌，斷面存在腐蝕現(xiàn)象，仍可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。
圖5  A區(qū)微觀形貌圖6  A區(qū)微觀形貌圖7  A區(qū)微觀形貌圖8~圖10所示為B區(qū)微觀形貌，斷面存在腐蝕現(xiàn)象，仍可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。
圖8  B區(qū)微觀形貌圖9  B區(qū)微觀形貌圖10  B區(qū)微觀形貌圖11~圖13所示為C區(qū)微觀形貌，斷面存在腐蝕現(xiàn)象，仍可見明顯的“冰糖狀”沿晶形貌，并伴隨晶間二次裂紋。
圖13  C區(qū)微觀形貌圖14  D區(qū)微觀形貌圖15  D區(qū)微觀形貌圖16  D區(qū)微觀形貌圖17、18所示為失效螺栓斷口腐蝕產物能譜分析結果，可見腐蝕產物主要為鐵的氧化物，并存在少量磷、硫、氯、鈉等元素。
圖17  斷面腐蝕產物能譜分析結果圖18  斷面腐蝕產物能譜分析結果圖19、20所示為失效螺栓螺紋牙底腐蝕產物能譜分析結果，可見腐蝕產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，腐蝕性元素類別與斷面一致。
圖19  螺紋牙底腐蝕產物能譜分析結果圖20  螺紋牙底腐蝕產物能譜分析結果圖21所示為失效螺栓表面發(fā)黑層能譜分析結果，可見發(fā)黑層主要成分為鐵和氧，未發(fā)現(xiàn)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行金相觀察，起裂區(qū)附近金相組織如圖22所示，可見起裂區(qū)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(xiàn)明顯的脫碳或増?zhí)棘F(xiàn)象。
圖22  失效螺栓起裂區(qū)金相組織圖23  起裂區(qū)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(xiàn)裂紋、折疊等不連續(xù)性缺陷或明顯的脫碳、増?zhí)棘F(xiàn)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(qū)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(qū)縱截面金相組織圖26  斷裂擴展區(qū)縱截面金相組織圖27 斷裂擴展區(qū)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(guī)定，判定為D類球狀氧化物（細系）1級，無異常。
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”標準中關于12.9級螺栓的規(guī)定。
對完好螺栓進行實物拉伸試驗，當拉力值達到202.8kN時，螺栓斷裂于未旋合螺紋部位，經計算得螺栓抗拉強度為1292MPa，符合“GB/T 3098.1-2010”標準規(guī)定（≥1220MPa）。
5. 化學成分分析采用直讀光譜法對失效螺栓進行化學成分分析，結果如表2所示，符合“JIS G4053:2008”標準中關于SCM435鋼的規(guī)定。
6．綜合分析送檢試樣顯微組織、螺紋表面缺陷，脫碳、増?zhí)?、非金屬夾雜物、力學性能、化學成分、基體氫含量等指標均未發(fā)現(xiàn)異常。
宏觀形貌顯示，失效螺栓斷口附近未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，螺紋牙底及斷面存在明顯的腐蝕產物。
微觀形貌顯示，大部分斷面均可見明顯的“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，元素種類與螺紋牙底的腐蝕產物基本一致。
螺栓服役時主要承受軸向拉應力作用，螺紋牙底與斷面的腐蝕產物說明螺栓服役環(huán)境中存在腐蝕性介質，同時滿足了應力腐蝕的兩個條件，即拉應力條件和特定的腐蝕介質。
因此綜合斷口形貌特征、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，通過排查包裝、運輸、拆箱、安裝等過程，均未發(fā)現(xiàn)螺栓表面沾染任何外來物質或受污染的情況，同時螺栓安裝過程不添加任何潤滑介質，因此推斷腐蝕介質并不是由螺栓帶入，可能積聚在底座盲孔中，且該腐蝕介質中可能含有磷、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. 結論（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程中接觸腐蝕介質。