紧固件是机械装备中不可或缺的零部件，包括螺柱、螺母、铆钉、垫圈等，它们直接决定着装备和主机产品的性能、质量和可靠性。本期分享一个紧固件失效的典型案例。

案例背景

一款45H紧定螺柱使用时在达到规定扭矩前发生断裂，委托方希望实验室分析断裂原因。

图1 样品图：断裂螺柱

实验室收到样品后，进行了以下操作排查原因。

1.基本检测

首先按标准GB/T 3098.3-2016《紧固件机械性能 紧定螺钉》取样检测了螺柱的硬度、保证扭矩、表面缺陷和化学成分，检测结果均符合标准要求。

2.外观检查

利用超景深显微镜对断裂的螺柱进行外观检查，可见断口侧面存在点点绣斑，而断裂的螺牙也发生了朝向断口的变形，此处已可知该螺柱在断裂时的主要受力方向。

图2  失效样品断口处外观观察

3.微观分析

进一步在扫描电镜下观察断口，螺柱芯部呈脆性断裂特征。但在靠近螺牙边缘的位置却呈现出了完全不同的断口微观形貌——“冰糖状花样”。

这是一种典型的应力腐蚀开裂断口的微观形貌特征，由于裂纹的萌生和发展受到了应力和环境腐蚀介质的双重作用，使得裂纹沿着晶粒间的界面扩展。而刚刚断裂螺柱侧面的点点锈迹也印证该产品使用环境确实有腐蚀介质存在。

当沿着“冰糖状花样”特征寻找，终于发现整个断口的起始位置是“牙顶裂纹”。

图3  样品断口微观形貌

（A-断口全貌 15×；B-断口芯部准解理形貌 1000×；C-近螺纹牙顶 300×；D-螺纹牙顶的沿晶断口 1000×；E-牙顶裂纹 100×；F-牙顶裂纹 500×）

A:螺纹牙顶（100×）；B:螺纹牙顶的滑移面（500×）

4.金相检验

切片&金相检验中也发现，该螺柱的金相中虽未见夹杂物、脱/渗碳等现象，但螺纹牙顶均存在裂纹。（图4、图5）

图4  样品未侵蚀金相

图5  样品侵蚀金相（A-牙顶裂纹100×；B-金相组织500×）

继续抽检委托方所送的其他样品，结果均发现了“牙顶裂纹”，最长超过500微米，而且这些裂纹的扩展形态也符合应力腐蚀开裂的特征。

图6  螺纹尖端裂纹（A、C-失效品；B、D-未失效品）

结 论

该螺柱在额定扭矩内断裂的最大可能原因为：

螺柱成型加工过程中由于加工应力的作用在螺纹尖端处形成裂纹，该裂纹在晶界间残余应力和环境中腐蚀介质等因素的共同作用下进一步向材料内部生长，最终导致螺柱使用时在达到保证扭矩前发生脆性断裂。

从结论看，这似乎是一起因劣质产品导致的断裂失效的案例。实则不然。在GB/T 5779.3-2000 《紧固件表面缺陷 螺柱、螺钉和螺柱 特殊要求》中仅规定了12.9级螺柱不允许存在牙顶的折叠和裂纹，本案例中使用的45H螺柱完全符合标准要求。另外，在图2中不难看出该45H紧定螺柱在使用时承受了一定的拉应力，而45H紧定产品的应用特点在于其硬度，为不受拉应力产品，故本次失效属于产品应用时的选型不当。

建议：

考虑到实际产品成本、使用场景和存放条件，推荐使用性能等级8.8级以上的紧定螺柱产品。

附相关标准条款

1、GB/T 5779.3-2000《紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 特殊要求》1.1

2、GB/T 5779.3-2000《紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 特殊要求》3.6