高强螺栓是许多机械产品中必不可少的基础性零件，广泛应用于航空航天、核工业等领域的各种机械产品与装备，并承担着极其重要的紧固联接作用，因此螺栓的失效往往会带来非常严重的后果。

本文中断裂的螺栓为发电机惯性飞轮联接螺栓，总共6根螺栓，其中3根在进行规定力矩紧固过程中出现断裂，该螺栓的断裂将造成惯性飞轮与发电机驱动轴联接失效，最终导致发电机不可用。笔者通过对失效螺栓进行宏观检查、化学成分分析、金相分析、力学性能等试验，对其断裂进行原因分析，并提出了改进建议。

1. 试验过程与结果

（1）宏观检验

螺栓编号为1、2、3、4、5，其中1号和2号螺栓未断裂，3号、5号螺栓断裂发生在车削螺纹的退刀槽处，螺纹根部与螺柱相接倒角处，4号螺栓断裂位置位于第3~4螺纹牙底处。断裂螺栓的断口宏观形貌如图1所示。

图1 1～5号螺栓整体形貌

断口表面光洁，无明显的腐蚀产物；断口不齐整，其所在平面中心区域凹凸不平，整个断口表面呈现脆性扭转断裂特征。经测量，螺纹杆与光杆联接处圆角半径为519.48μm，且该位置存在粗糙的机械加工痕迹（见图2）。参考GB/T 5782—2016《六角头螺栓》要求，螺纹规格为M12的螺栓，其过渡部分圆角半径最小值为0.6mm。失效螺栓在螺纹杆与光杆联接处圆角与标准要求不符，且表面机械加工粗糙，容易形成应力集中，当应力超过其断裂强度时，容易在应力集中的薄弱处发生断裂。

图2  螺纹杆和光杆过渡处倒角及表面形貌

（2）化学成分分析

螺栓材料化学成分分析结果如表1所示。5根送检螺栓中2号、3号螺栓化学成分中硫元素超标，不满足GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对8.8级螺栓的材质要求，其他螺栓虽然S含量满足标准要求，但基本接近上限。

（3）金相检验

对断裂螺栓进行显微组织分析，如图3所示。螺栓金相组织为珠光体+沿奥氏体晶界分布的铁素体，纵向存在轧制态带状组织，珠光体与铁素体含量相当。根据GB/T3098.1—2010规定8.8级高强螺栓需进行调质处理，从而获得回火索氏体，才能达到力学性能所规定的各项要求。显然，断裂螺栓基体金相组织与标准要求不符，说明该批螺栓制造过程中未进行调质处理。

（4）力学性能测试

断裂螺栓横截面硬度检测结果如表2所示。GB/T 3098.1—2010中规定了8.8级螺栓（螺栓直径≤16mm）布氏硬度最小值为238HBW，最大值为328HBW，表2中测量结果显示螺栓材料硬度符合标准要求。

对1号螺栓进行室温拉伸性能检验，结果如表3所示。根据GB/T 3098.1—2010力学性能为8.8级的螺栓抗拉强度R_m≥800MPa、屈服强度R_P0.2≥640MPa、断后伸长率A≥12%、断面收缩率Z≥52%。送检螺栓抗拉强度R_m=807MPa、屈服强度R_P0.2=791MPa，符合标准要求。一般认为屈强比保持在0.8~0.85时有较好的综合力学性能，送检螺栓屈强比为0.98，接近于1，表明材料的抗变形能力较强，塑韧性较差，因此断后伸长率和断面收缩率低于标准要求。

（5）断口微观分析

如图4所示，是由扫描电镜微观观察的照片，可以看出断口宏观上有明显的台阶状特征，微观上呈解理+少量韧窝特征；1区为启裂区，2区和3区为扩展区，微观上呈现明显的解理特征，4区、5区为终断区，微观上可见韧窝形貌。断口在低倍下整体呈现旋转扩展的趋势，韧窝方向性明显。

2. 分析与讨论

宏观分析发现断裂的3根螺栓中，2根螺栓断裂于螺纹杆与光杆联接处，另一根螺栓断裂于第3~4个螺牙牙底处。未断裂螺栓在退刀槽处发现明显的机械加工痕迹，且表面粗糙。根据GB/T 5782—2016要求，8.8级M12螺栓最大公称直径为12.00mm，且螺纹杆与无螺纹杆联接处圆滑过渡，其过渡部分圆角半径最小值为0.6mm。而所提供的失效螺栓螺纹杆径为11.85mm，无螺纹杆径为13.98mm，螺纹杆与无螺纹杆联接处圆角半径为519.48μm，该圆角与标准要求不符。

根据GB/T3098.1—2010规定，力学性能为8.8级的螺栓需要经过调质处理，以获得回火索氏体，才能达到标准规定的各项力学性能要求。断裂螺栓的显微组织为珠光体+沿奥氏体晶界分布的铁素体，纵向存在轧制态带状组织，显然其金相组织不符合标准要求。疑为原始棒材直接经机加工而成，并未进行后续调质热处理。

对于金相组织为铁素体+珠光体的碳素钢部件，其力学性能主要取决于珠光体及铁素体的相对含量、珠光体片层厚度、晶粒大小等。金相组织分析发现送检螺栓珠光体与铁素体含量相当，且珠光片层粗大、厚度不均。当碳素钢中的珠光体与铁素体含量相当时，受强大剪切应力作用时，裂纹的扩展将无法沿表面能较低的铁素体进行，而是通过撕裂珠光体的形式进行，其力学性能受珠光体解理开裂强度的制约，根据现场检修人员反馈，螺栓是在回装拧紧过程中出现断裂，当螺栓承受扭转应力载荷时，螺栓各点处均处于剪应力状态，结合力学性能数据来看，螺栓存在脆性过大、韧性明显不足的问题，表现在断口上即出现解理断裂模式。

3. 结论与建议

通过以上分析可知，该批送检螺栓在制造过程中未进行调质处理，未达到理想态的显微组织，从而致使基体强度较低，塑韧性不足，这是造成送检螺栓断裂失效的主要原因。

建议加强螺栓产品的入厂检验工作，确保所采购螺栓按照标准要求进行生产。加工螺栓零件时，严格按照标准要求控制过渡圆角半径，并用滚轮滚压螺纹牙根凹处和螺纹杆与光杆交接处圆角，减轻应力集中。