某汽車公司的汽車上臂螺栓在服役中發生早期斷裂，行駛里程約1500公里。供貨方要求對螺栓斷裂原因進行分析。

      螺栓材料為35CrMo，規格為M12×1.25×65-10.9，表面鍍黃鋅。 送檢樣品2件，均為斷裂螺栓尾部的一段，其中一件長度約30mm（以下稱為1號）；另一件尾部被車切去一段，剩余長度約20mm（以下稱為2號）。

一、檢驗結果

1. 外觀

      斷裂螺栓未見塑性變形，但牙頂明顯可見壓塌、磕傷痕跡。螺栓中部一段（距斷口約7扣處）明顯發黑，很明顯該段為擰入螺母中的區域。

2. 斷口

      對斷口進行體視顯微鏡和掃描電鏡觀察，兩個螺栓的斷口形貌基本相同（圖1），明顯可見疲勞海灘狀弧線。

      以1號斷口為例，斷口明顯分為3個區。Ⅰ區為疲勞源區，位于牙底表面，在該區存在多個剪切臺階，系牙底應力集中而引發的多個疲勞源區相交界面撕裂而成；Ⅱ區為疲勞裂紋擴展區；Ⅲ區為裂紋快速擴展區及瞬斷區（剪切唇）。在疲勞源區可見牙底存在的裂紋（圖2），在Ⅱ區的高倍放大形貌中可見疲勞輝紋（圖3），快速擴展的微觀形貌為細小韌窩及撕裂棱（圖4）。

3. 螺栓表面觀察

      去除螺栓表面的鍍鋅層后在掃描電鏡下觀察，可見絕大部分牙底均存在周向裂紋，兩個螺栓均如此（圖5中箭頭所指）。

4. 硬度

      1號螺栓為33.0HRC（三點平均） 2號螺栓為35.0HRC（三點平均）

5. 金相

      將斷裂螺栓沿中心線軸向剖開，利用顯微硬度法檢測脫碳層（G值和E值）。 1號螺栓：G＝0，E＝0.35mm 2號螺栓：G＝0，E＝0.41mm 圖6為螺栓表面脫碳層的金相組織。

       在剖面上可觀察到，幾乎所有的牙底存在明顯的裂紋，兩個螺栓的情況基本相同（圖6），這與螺栓表面掃描電鏡（圖5）所看到的情況吻合。裂紋的高倍放大形貌表明，該裂紋實際上是一種加工折疊，折疊方向為同一朝向，在折疊的缺口尖端誘生出細小的徑向裂紋。

螺栓材料的非金屬夾雜物主要為球狀不變形夾雜物，評定為1級（GB 10561-1989）（圖8）

      螺栓基體組織為均勻的保持馬氏體位向的回火索氏體組織（圖9），但在牙底折疊裂紋處由于脫碳而存在較多的鐵素體，該處的硬度為287HV0.3。

      另外，在1號螺栓的縱向金相磨面上，清晰可見一條淺色的貫穿螺栓全長的管狀偏析條帶（圖10），在該區存在較多的線點狀夾雜。而2號螺栓卻不存在上述現象。

二、分析

      檢驗結果表明，兩個螺栓的基體組織為正常的回火索氏體。基體硬度符合標準GB/T3098.1-2000中對10.9級螺栓所規定的32～39HRC的范圍。

      兩個螺栓的E值（1號為0.35mm，2號為0.41mm）均不符合上述標準所規定的最小值（0.0511mm），說明螺栓表面的半脫碳深度已經超標。

      兩個螺栓的斷口存在明顯的海灘狀疲勞弧線和疲勞輝紋，表明螺栓的斷裂為疲勞破斷。最后斷裂區位于螺栓表面一側，由此可判斷。螺栓在使用過程中承受的是單向彎曲疲勞應力。從斷口中疲勞區和快速擴展區的相對大小來看，說明螺栓承受的是中等強度的外加載荷。

      斷裂的兩個螺栓牙底存在折疊缺口（圖7），折疊形成的尖銳缺口因應力集中可能會削弱螺栓的疲勞強度，因而極易在缺口尖端誘發疲勞裂紋的萌生，牙底折疊缺口在離斷口的第二個牙底就已經存在，該處并未擰入螺母中，說明折疊并非是由于螺栓強迫擰入螺母而形成的（假定螺栓擰入螺母的部位可能產生此類折疊的話）。當然，在螺栓與螺母的裝配過程中，倘若由于某些原因出現強迫裝配的情況，在螺栓中將會形成過大的附加拉應力，無疑也會降低螺栓的壽命。

      在1號螺栓心部產生的管狀偏析帶，是由于原材料生產中出現的問題，盡管不是造成螺栓斷裂最直接的原因，但對螺栓的壽命有不利影響，在金相觀察中，發現位于偏析區的斷口區比正常區域存在多而深的二次裂紋證明了這一點。

三、結論

1. 兩個螺栓的斷裂屬于單向彎曲疲勞斷裂。 
2. 裂紋由螺栓牙底部的折疊尖銳缺口處開始擴展。

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