高强度螺栓的等级测试

hbh0606

前一段时间拿了几支12.9级的高强度螺栓到检验所要求做等级试验，结果检验所只打了硬度和抗拉强度试验。
& h1 U( P/ ?$ Y2 h* U1 Q本人觉得高强度螺栓的等级测试应该不只是打打硬度、做作抗拉而已。
7 B9 [' |; \! m( @/ R, K3 D大家说说：只做硬度测量及抗拉强度测试够吗？如果不够，检验所还应该做那几方面的试验呢？   
要是能有在检验所工作的大哥出来说说话最好。

% w' V  B" _3 G[ 本帖最后由 hbh0606 于 2007-11-22 14:15 编辑 ]

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高强度螺栓的测试：一般检测扭矩系数，抗滑移系数
' z* ~9 D  }8 S% O

高强度螺栓的应力测试
高强度螺栓在起重运输机械、钢结构厂房等金属结构中应用广泛[1]。此类螺栓主要依靠预紧力在连接件间产生的摩擦力传递载荷,因而在抗剪和抗拉2方面性能均较好。由于采用高强度钢制造并经热处理,所以预紧力和摩擦力都较大。高强度螺栓克服了普通螺栓承载力低的缺点,其静强度和疲劳强度比同尺寸的铆接还要高。但是,在工程应用中发现,尽管在选用高强度螺栓时已进行过理论计算,并考虑了强度储备,但在实际使用中仍会不时出现高强度螺栓的断裂现象,给生产和安全带来隐患,甚至造成生命财产的重大损失。为了确定在金属结构受力情况下高强度螺栓的应力分布,研究其局部位置的应力集中状况,检验其强度储备,需要采用实验应力分析的方法,测试高强度螺栓在工作状态下的实际应力。实验应力分析的方法较多,有应变电测法、光弹性法、脆性涂层法等。其中应变电测法[2][3]是实验应力分析中1种较成熟的基本方法,在科学与技术领域中应用广泛。现针对具体工程问题,应用应变电测法对高强度螺栓的工作应力进行测试,取得了较满意的结果。
1测力螺栓的设计、制作与使用用电测法测试高强度螺栓的应力时,不能直接取现用的螺栓,需将1只与实际使用等同的高强度螺栓按照一定的要求进行设计、制作,并根据测试目的进行布片,以便完成测试。测力螺栓的设计、制作与使用,应考虑如下因素:
9 W3 O  S5 n! N( I2 u& o(1)测力螺栓应最大限度的与实际使用的螺栓保持一致,尽可能地再现螺栓的工作状况,所以测力螺栓应选用与实际使用完全相同的螺栓。
6 U! y' [' ]( @; [4 V+ T(2)常用的高强度螺栓直径通常在16mm至30mm之间,受力方向与螺栓杆轴线同向,其螺栓孔直径仅比螺栓杆直径大2～4mm,间隙小,所以不宜直接在螺栓杆表面布片。
1 D/ X! ?- V3 i: N; O3 G' R(3)电阻应变片在曲率大的表面上往往不易粘牢,所以螺栓杆应加工出1块平面,以便容纳应变片和接线端子。但该平面应尽可能小,以便最大限度地保持螺栓杆的承载能力,同时该平面与螺栓孔之间的间隙应保证螺栓装配时应变片不被碰坏。
0 b% A+ V. W% x# i4 q4 Q(4)考虑到应变片引线的顺利导出,可以在螺栓头部的适当位置打一穿孔,引线应尽可能细,孔径尽可能小,以不妨碍导线引出为宜。
6 a, L& \$ u, L  w(5)加工的平面应较光滑,便于应变片的粘贴。引线从孔中导出时需仔细加以防护,防止引线断裂和短路。
) _$ e: m( D7 o9 v  j: `: X+ K1 y(6)测试前,将贴好应变片的测力螺栓取代需检测部位的螺栓;测试中采用静态或动态应变仪测取各工况的应变值,然后根据相应的计算公式和方法换算为应力值。
* ?% v5 D1 g9 T2 F7 F6 S2　应用实例
! k: a+ c7 |" ]/ C某港务公司有1台使用多年的门座起重机,在支腿上端与大圆环连接的法兰盘上,连续出现多起高强度螺栓断裂的现象,为了确定螺栓断裂部位的实际受载情况,分析断裂原因,决定采用应变电测法测试该处螺栓的实际应力。
8 U9 i; {: z( g! x! x此处螺栓性能等级为818级[1],螺栓公称直径M30,螺栓长度120mm,材料45钢。螺杆头部与螺纹根部截面突变处产生应力集中,断裂面也在这2处发生。为了测试应力集中处的应力,将测力螺栓加工成如图1所示形状,应变片布置在C和D点。
. }% R1 `4 @( D9 U' \- }因应变片所得数据为平均值,不可能得到布片点上的真值。因此,测试应力集中应选用微型应变片,这样数据才接近真值。但同时,还应考虑使用的方便,故在测试中应变片选用BE120-1AA(11)微型片,温度自动补偿,阻值为12016Ω,灵敏系数K=2114,敏感栅尺寸为。1mm×1mm,片基尺寸为315mm×415mm。接线端子为905号板基端子,用502胶粘贴,704胶作防护层,先用直径0115mm的单芯线作为引线穿过螺栓头部的引出孔,然后连接在导线上。一片应变片紧贴螺栓头部(图1的D点),另一片贴近螺纹根部(图1的C点)。测量桥采用半桥连接法,分别测试螺栓头部圆弧过渡处和螺纹根部应力集中部位的应变。测试时用测力螺栓替代工作螺栓。测试结束后将测力螺栓取出,再装上新的工作螺栓,实测表明,在静载和动载工况下测试信号良好,图2为动载工况下记录的2个测点信号曲线。
1 n3 {" v' h3 E9 N( {- ~  U2 ^由文献[1]知,45钢强化处理后,其屈服强度为σ012=660MPa>214MPa,故虎克定律σ=E·ε适时,换算时取弹性模量E=210GPa=210×103MPa。
9 Z$ ]6 q1 T+ i( z1 f, B8 I! {( m0 |从曲线图看出,测力螺栓螺纹根部的实际承载应力最大值为214MPa,已接近许用承载应力值245MPa[1],说明该种高强度螺栓在载荷作用下的强度储备已很少,考虑到螺栓是在交变应力下工作,螺栓的持久极限更小,故发生螺栓断裂是必然的。
6 D; e9 ^8 a- c应说明的是,为了贴片需要,将测力螺栓的栓杆上、下表面加工成平面(各削去2mm),加剧了原有的应力集中[5],使测试值大于真值。但对于工程上而言,其结果是偏于安全的,故满足工程要求。
3 ]! \, o: q8 {! Z8 r) }: R' i还有一点不可忽视的是,测力螺栓颈部以压应力为主,表明螺栓是受拉—弯组合变形,而非单纯的拉伸变形,且以弯曲为主。这说明该螺栓的受力比原设计计算假定的工况更复杂、更恶劣,应予重视。
1 u- K: A/ K* I3　结论
* X4 t# `1 k9 N5 \; u5 M本文介绍了用于电测的测力螺栓的设计制作与使用的原则和方法。实例表明使用应变电测法对高强度螺栓的工作应力进行测试是可行的,测试的结果可信,能满足工程上要求。该方法的应用,便于对金属结构的螺栓连接进行失效分析,也可用于螺栓应力的实时监测。
) L6 T$ K. U8 u+ x
7 v$ g- m2 q" l. g[ 本帖最后由 mideas 于 2007-11-22 14:27 编辑 ]

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高强度螺栓断裂失效分析
) E( y4 d% ?$ r) A6 @* c
8 S! }# y; o' `( P韩志良

+ K- v. U1 h0 W; z  I(常州机电职业技术学院机械系，常州213012)

. o6 y! ^) s8 p+ T6 r! d马红卫，丁燕君
2 |0 Y- ]+ _* f- A! _. d% G( D
* q+ F; o* H! P(常柴股份有限公司理化室，常州213002)
* h" E8 h8 Y" |, I+ ?/ l: W. {
3 Q: ?2 ?# B" R: o
8 H' O7 u  l- i: k3 I/ A- O4 }
" i3 A2 l, q4 B1 j* u摘　要：针对装配现场发生的几起高强度螺栓断裂失效事故，采用金相分析、化学成分分析和力学性能测试等方法进行检测。分析结果认为螺栓失效的原因有1)螺纹成形时产生裂纹，螺栓因之而脆断；(2)杆部与头部交接处表面脱碳、使局部强度降低而断裂；(3)装配时扭矩过大，螺栓明显缩颈而断裂；(4)原材料中心存在裂纹。

关键词：螺栓；裂纹；扭转；脱碳

# U1 D7 [7 T# j+ J4 o+ Y& _6 B

高强度螺栓是发动机紧固件中最重要的零件之一，如连杆螺栓、缸盖螺栓、主轴承盖螺栓，要求强度等级为10.9级，有的甚至达12.9级。但在实际使用中，高强度螺栓(简称螺栓)断裂失效也时有发生。笔者就发生在装配过程中的四起高强度螺栓断裂失效逐一进行分析。

6 [- b. `8 W% m1　195连杆螺栓断裂失效分析

) C  [, }! m( H195连杆螺栓装配时断裂于螺纹处。从断口上看，断口平直，无缩颈，几乎没有裂纹萌生区，全部为最后瞬断区。零件供应商进行了失效分析，认为装配时连杆螺纹内夹入异物，阻碍了螺纹的拧紧，导致装配扭矩过大而断裂。
  b  _  h* M! A, F& R/ {0 \
0 r& J% B+ k5 r1.1　断口分析

9 j# J, c0 h2 A5 x0 \1 q- L# U由于断口表现出极大的脆性，如果是基于扭紧力矩过大而断裂，断口应表现出良好的塑性，因为拧紧时螺栓主要受扭转应力，而扭转试验的应力状态的柔性系数较大(大于拉伸试验)，材料易于塑性变形，而失效的螺栓并未表现出塑性。另外，断裂源也不在齿根部，而是有所偏离。

1.2　化学成分和显微组织分析
* ^/ X8 _# G" x) J- Z3 H" n
" E) S8 t! P* E3 q$ H) F螺栓材料牌号为40Cr钢，强度等级10.9级，硬度要求32～38HRC，金相组织要求1～3级(JB/T8837-2000)。经检验，螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定，见表1。显微组织为细的回火索氏体，按JB/T8837-2000评定为1级，其硬度值为34HRC和35HRC，硬度和显微组织均符合技术条件规定。经磁粉探伤未发现磁痕。

将螺栓从杆部与头部交接处纵向剖开，经金相制样、观察，结果在大部分螺纹的根部均有裂纹，即在断口附近和远离断口的螺纹处均存在裂纹，裂纹位置偏离“真正的”齿根部，裂纹的两侧无贫碳和脱碳，说明裂纹的形成与调质处理无关，见图1和图2。由于裂纹细小且位于螺纹根部，常规磁粉探伤未发现磁痕。
  h' G, S2 ^  s
   
7 i4 k9 \9 A* ~
! k  m" U/ a" B: ?; O) a              1　螺纹根部之裂纹(未侵蚀)　20×                  图2　螺纹根部组织　400×
) ^+ f9 S" E1 ^: U
4%硝酸酒精溶液侵蚀
1 [; \* Y" c: A3 ~
6 G' l1 D' V) t+ V1.3　试验与讨论

为判定裂纹的形成原因，另取同批量、同型号但未使用过的连杆螺栓进行纵剖面金相分析，结果在部分螺纹根部也存在裂纹，因此判定此裂纹系滚齿成型时造成的。这与滚轮使用次数过多，滚齿加工能力下降有关，经查该批滚轮已超期服役。

+ n$ n; z7 f' N8 C; d& u由于螺纹根部存在裂纹，因此在装配拧紧时螺栓表现出较大的脆性，发生脆性断裂，而滚轮超期服役，其滚齿加工能力下降则是失效的主要因素。
+ U' z# E' d- j+ S- E. ?; ]
2　缸盖螺栓断裂失效分析
1 k2 H; t/ c/ x! G" i6 o: J
某单位生产的强度等级为10.9级的缸盖螺栓，在装配时发生断裂，送样要求分析原因。
7 j: g% I; a/ k) L5 ^* n. D) [
6 w/ x8 w9 a9 ~5 W1 M2.1　断口分析
  L4 s$ L& h% g  {
1 B2 e- P( k% P+ F9 F1 a两缸盖螺栓(分别编1号和2号)断裂位置均在杆部和头部交接处，装配拧紧时螺栓主要受扭转载荷，此时，主应力与轴线成45°，而切应力则与轴线垂直。从断口看，裂纹开始区与轴线成45°角，表现为扭转时的正断断口，是正应力作用的结果。而瞬断区与轴线垂直，瞬断区面积占总断口面积的绝大部分，说明断裂时应力较大或材料强度不足。
) H1 T0 |+ w. i4 A; g8 k* H- X$ d
2.2　化学成分和显微组织分析

1 F; ?- ]3 H) c螺栓材料牌号为40Cr钢，硬度要求32～38HRC，金相组织要求1～3级(JB/T8837-2000)。经检验，1号缸盖螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定，见表1。两螺栓基体组织均为细的回火索氏体，按JB/T8837-2000评定，组织为1级，符合其1～3级之技术条件规定。边缘组织中晶界清晰可见，但其颜色明显比其它部位浅，估计表面存在脱碳层，其中2号螺栓更为明显，见图3。

( j+ k6 C9 s' b* d两螺栓均残留带状组织，带状组织中还有非金属夹杂物，1号螺栓的带状组织见图4，其间的硫化物类夹杂物清晰可见，但均在规定范围之内。
; }9 O1 m( c, @7 a: ~& E4 Y
2.3　显微硬度测试
. @/ Z9 W; ]1 z. R
" R1 J- g" I: M5 M' M7 v0 H经磁粉探伤，未发现磁痕。经测定，1号螺栓硬度值为34HRC，2号螺栓硬度值为36HRC和37HRC，符合32～38HRC技术条件规定。由于螺栓已经过调质处理，所以仅根据金相组织来判定边缘是否存在脱碳层似乎尚缺证据。为证实边缘是否存在脱碳层，对边缘和中心部位进行了显微硬度测试，结果见表2。

     
' S( t4 I  E) {1 i. I
          图3　2号螺栓组织，边缘颜色较浅　65×                图4　1号螺栓的带状组织　130×
% W3 y' x# O' e- I. U6 s
                 4%硝酸酒精溶液浸蚀
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5 q/ J/ d8 ~- C表2　螺栓边缘及中心处显微硬度值
0 u8 }" `) p2 S' O: X" P$ \


从表中可见，边缘硬度低于中心硬度，进一步证实了边缘存在脱碳层。边缘碳含量的降低，使侵蚀程度下降，因而颜色较浅且晶界清晰可见。虽然螺栓在调质后对其表面进行了机加工，以去除热加工所产生的脱碳层，但在杆部与头部交接处往往难以用机械加工去除脱碳层，结果在杆和头部的交接处保留了脱碳层。
/ K) z8 e. i  l& f$ \8 H# g+ q
2.4　分析与讨论
; U! P7 P' z$ l4 i+ b
由于最大应力位于螺栓边缘，而边缘存在脱碳，降低了边缘的强度。虽然螺栓允许存在一定量的脱碳层，但脱碳层的存在对螺栓服役总是不利的。由于裂纹源于脱碳处，那么脱碳则成为该螺栓断裂失效的主要因素之一。
3 q1 z2 [" H: e" @  a6 G
3　主轴承盖螺栓断裂失效分析
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发动机主轴承盖螺栓，在装配拧紧时断裂失效。螺栓材料牌号为40Cr钢，硬度要求30～35HRC，金相组织要求1～3级(JB/T8837-2000)。

3.1　理化分析
+ B* d0 Z: X, h' X! G  X( }! p
, {$ ~1 L. S9 l) n- j; s观察三支断裂螺栓的断口，均存在回旋状塑性变形痕迹，为扭转断口，是以扭转为主的扭转和拉伸之混合断口。裂纹起源于螺纹齿根处，断口处均有明显的缩颈。而缩颈的产生，表明试样的载荷达到最大值(抗拉强度)后，在试样的某一部位截面开始急剧缩小，随后变形主要集中于缩颈附近。所以缩颈的存在，一方面说明螺栓有良好的塑性和韧性，另一方面说明服役载荷很大，已超过试样的抗拉强度。
& p9 T! i* S! [7 {% ]
! A$ O4 s) s5 |" c7 {主轴承盖螺栓化学成分分析结果见表1，符合GB/T3077-1988之规定。

杆部硬度值为32HRC和33HRC，符合30～35HRC技术条件规定。金相组织为细而均匀的回火索氏体，按JB/T8837-2000，组织级别为1级，符合其1～3级之技术条件规定。经磁粉探伤未发现磁痕。
) G  p* ~; V" t+ @# N5 V4 n2 y9 F  x; K. L
1 r/ ~  c8 X# u$ |将三支断裂螺栓纵向剖开进行金相观察，螺纹表面无脱碳，但螺纹齿根处均存在微裂纹，长约0.05～0.10mm，裂纹均存在于距断口3～4个螺距范围的缩颈区，缩颈区以外的齿根处则无裂纹。
8 F/ f9 X- {, a  L+ E- N* g
. B* }( f0 I% I" ]: d) g3.2　拉伸试验

取与断裂螺栓同批供货的两支未使用的螺栓进行拉伸试验，其抗拉强度分别为1103MPa和1126MPa，符合10.9级的强度等级要求。将试样纵向剖开进行金相分析，在距断口3～5个螺距范围内的缩颈区，其齿根处存在裂纹，而缩颈区以外的齿根处则无裂纹，可见该裂纹是拉伸时形成的。
) A( F) a- ]- w6 a( e
$ `; j' E, I, E7 R1 U4 k5 y6 p: i2 A取三支未使用的同批螺栓，也取其纵剖面进行金相分析，在螺纹齿根处均未发现裂纹。

3.3　分析与讨论

0 Z) Z$ |! o. L% e0 T5 h8 W) r断裂试样的硬度和强度均符合螺栓10.9级的强度等级要求，金相组织也正常，所以螺栓材质正常。从拉伸试验和未使用的同批螺栓的金相分析结果看，缩颈不是由于材料强度不足而产生的。由于裂纹均产生于断裂试样的缩颈处，缩颈以外的螺纹处无裂纹，则该裂纹是螺栓拧紧时载荷过大(超过材料的抗拉强度)所致。经查，断裂螺栓的装配扭矩达146N·m，超过了120N·m的极限规定。
0 [' ^3 r' C% z: G; p$ a
) a3 U/ {, C4 W综上所述，螺栓断裂失效的原因是螺栓服役载荷(扭矩)过大，已超过其抗拉强度。

  |' F" S( ?% R4 K6 \2 l7 g- g$ p4　1110连杆螺栓断裂失效分析

螺栓于装配时断裂，材料为35CrMo钢，强度等级10.9级，硬度要求30～35HRC，金相组织要求1～3级(JB/T8837-2000)。

经检验，1110连杆螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定，见表1。硬度为35HRC，符合32～38HRC技术条件规定。经磁粉探伤，在螺栓表面发现细小裂纹。

2 F4 S! j) O" D8 v( l将试样纵向剖开(0.5R处)，显微镜下观察发现螺栓齿根部无脱碳，显微组织为细而均匀的回火索氏体，按JB/T8837-2000，组织级别为1级，符合其1～3级之技术条件规定。但是，在纵剖面上有许多沿晶裂纹，裂纹两侧无脱碳。绝大多数裂纹位于试样中心区域，断口处的数条裂纹也位于中心区域，估计螺栓中央存在裂纹。

对螺栓横向间隔取样进行金相分析，在数个磨面上均有裂纹，且裂纹存在于螺栓中央见图5。由于裂纹位于螺栓的中央，较为封闭，虽经淬火、回火，但裂纹两侧无贫碳或脱碳。
4 b6 @5 Z. G. C/ e$ E


0 X! p9 N5 n3 j2 e( K+ u$ }图5　试样横截面裂纹形貌(未蚀，负片)　3×
5 t% F$ c3 |: @8 W* I
) s! d5 M8 {' G$ C6 ~' t) ?由于试样的回火索氏体组织细小，裂纹趋向很“柔”，且裂纹源于试样中心，可确定裂纹的产生与调质处理无关。裂纹周围未发现夹杂类缺陷，裂纹存在位置和趋向确与“轴向晶间裂纹”类同，故该裂纹属原材料缺陷。

/ ?1 V, {& I+ q* l5　结论
! i4 {; x1 p7 K8 A
(1)所分析的螺栓的成分、牌号均符合GB/T3077-1988之规定，硬度、金相组织也符合技术条件要求，说明热处理工艺及其操作合理。

, P& s6 ]5 q5 q1 a: l$ t(2)螺栓失效原因:①195连杆螺栓断裂的直接原因是滚轮的滚齿能力下降导致产生裂纹，而滚轮超期服役则是关健因素；②缸盖螺栓断裂原因是其杆部和头部交接处的贫脱碳所致；③主轴承盖螺栓的断裂则是拧紧时扭矩过大造成；④1110连杆螺栓断裂是原材料存在裂纹所致。
, q$ u% g+ u' t6 Z1 L
/ U* ?# a. W& U( z4 b) I& d+ _(3)上述螺栓失效，很大程度上是源于质量管理的疏忽，如滚轮的超期服役、装配扭矩过大，理化检验的欠认真、细致等。
) q4 a$ `" o* _/ N: k) [. f0 g
(4)连杆螺栓的金相检验按JB/T8837-2000进行，其它高强度螺栓也可参照进行。虽然JB/T8837-2000对脱碳层未作规定，但在螺栓的技术条件中对脱碳层有明确规定。因此，可根据要求在试样纵面上进行脱碳检验，方法有金相法和显微硬度法。如果195连杆累栓按要求进行脱碳层的检验，其裂纹和缸盖螺栓的贫、脱碳则可检验出来。

zhaoguiqing

高强度螺栓的等级测试：主要是做屈服强度、抗拉强度。是否符合12.9级标准。做螺栓的楔负载，螺母、垫圈的硬度，螺母的保证载荷。测出这几项机械性能，就能测出高强度螺栓的等级。

bmei00

高强度螺栓用于紧固件，按GB/T 3098.1的要求检验就可以了，包括抗拉、硬度、保证载荷、金相、楔负荷等。如用于钢结构、网架等，则还要做扭矩系数，抗滑移系数检测。

xcy721626

那应该是楼主的螺栓太短了，标准中要求名义长度大于等于2.5D的才对拉伸有要求。但是8.8级以上的螺栓都必须作脱碳层深度。

hbh0606

螺纹为M22X1.5，螺纹长度为60mm，总长度为130mm.

xcy721626

按楼主的螺栓规格，应该做楔负载试验（可不做拉伸试验）、硬度和表面硬度、保证载荷试验、脱碳试验、表面缺陷，如果有协议，还需要做再回火试验。

hbh0606

如果楔负载试验（可不做拉伸试验）、硬度和表面硬度、保证载荷试验、脱碳试验、表面缺陷这些实验都做的话，不知费用是多少呢？
5 c+ `/ ?. c. N% ^9 N# X另问：兄弟是在检验所工作吗？

mwg

应该作哪些项目在GB/T3098-1中写的非常清楚，http://www.3dportal.cn/discuz/viewthread.php?tid=205198&page=1&fromuid=45384#pid957430

+ A2 ]2 O$ F7 o: X[ 本帖最后由 mwg 于 2007-11-24 18:37 编辑 ]

xcy721626

原帖由 hbh0606 于 2007-11-24 17:11 发表 http://www.3dportal.cn/discuz/images/common/back.gif
如果楔负载试验（可不做拉伸试验）、硬度和表面硬度、保证载荷试验、脱碳试验、表面缺陷这些实验都做的话，不知费用是多少呢？
另问：兄弟是在检验所工作吗？

这组实验全作的话估计要超过2000元吧，现在也不是很清楚，不同的检测公司收费标准不一样，是根据检测公司的品牌和影响力确定的。

johnzhong

谢楼主，我以前只做拉伸和硬度试验。