紧固件断裂失效类型及原因分析

紧固件失效的7种形式和对应原因，附常见紧固件的种类和用途紧固件是作紧固连接用且应用极为广泛的一类机械零件。

本文分享部分常见紧固件的种类、用途，以及常见失效形式和对应原因。

1、螺纹紧固件的种类和用途常用的螺纹紧固件有螺栓、螺柱、螺母和垫圈。

（了解更多紧固件请点击《图解螺栓、螺柱、销、铆钉等12类紧固件，及选型建议》）螺栓、螺柱和螺钉都是在圆柱表面上制出螺纹，起到连接其他零件的作用。

螺栓一般用于被连接件钻成通孔的情况。

螺柱用于被连接零件之一较厚或不允许钻成通孔的情况。

螺钉用于不经常拆卸和受力较小的连接中，按用途可分为连接螺钉和紧定螺钉。

螺母是和螺栓、螺柱等一起进行连接的。

垫圈一般放在螺母下面，可避免旋紧螺母时损伤被连接零件。

弹簧垫圈可防止螺母松动脱落。

2、螺纹紧固件失效形式及原因分析1）装配拧拉断裂拧拉断裂特征为断裂部位明显缩颈伸长。

常见原因主要是联接面摩擦系数过小；拧紧或预紧时施加的扭矩过大、施加扭矩时套筒与螺纹不同轴、施加扭矩时速度过快；零件本身的性能强度不够以及紧固面与螺纹中心线垂直度超差。

2）螺纹受剪切力拧断受剪切力拧断的断口部位一般有螺旋状，无明显缩颈，造成螺纹受剪切力拧断的常见原因是螺纹在拧紧过程中被卡死，例如：螺纹变形、相互联接的牙型不一致、螺纹有焊渣灯情况；螺栓拧进的断面被顶住，如螺母为盲孔的有效螺纹深度不够。

3）应力集中部位使用后断裂应力集中部位使用后断裂常见表现在螺栓头部及头部与螺纹杆过度的直角部位，主要原因为头部与螺纹杆过度的直角部位圆角过小；螺栓冷镦成型时在头部的塑性流线存在缺陷。

被连接面与螺栓垂直度超差。

4）疲劳断裂在螺栓连接后使用的过程中主要的断裂为疲劳断裂，常见原因有：预紧力不足；夹紧力衰减过大；螺栓尺寸、性能不合格；零件之间的相互配合、装配环境、使用工况不能满足设计要求。

5）延时断裂延时断裂常见原因为氢脆，氢脆是在生产过程（如电镀、焊接）中进入钢材内部的微量氢，在内部残余的或外加的应力作用下导致材料脆化甚至开裂。

紧固件典型失效形式及案例解析过载断裂紧固件的过载失效是指外力超过其承载极限而发生的失效，主要包括韧性过载、脆性过载和“脱扣” 等。

紧固件过载失效的分类过载断裂三要素：纤维区、放射区和剪切唇区过载断裂三要素：纤维区、放射区和剪切唇区•在螺纹牙底过载断裂与缺口圆形拉伸试样类似•在头部和杆部过渡处或光杆部分过载断裂与光滑圆形拉伸试样类似•利用断口三要素判断紧固件断裂失效裂纹源、断裂过程和最后断裂位置韧性过载断裂宏观特征•断裂处出现杯锥状断口，存在肉眼可见的塑性变形痕迹•在螺纹牙底发生的韧性过载断裂，一般只有塑性很好的材料才会出现杯锥状断口•与轴线约呈45°切断断口也是一种紧固件韧性过载断裂特征•断口表面较粗糙、色泽灰暗、呈纤维状或鹅毛绒状•从紧固件表面一侧起源向另一侧扩展的过载断裂断口上，源区存在由表面起始的扩展棱线，最后断裂区一般有剪切唇•由表面周向起源，最终断裂区位于紧固件心部的过载断裂断口上，可见由周向边缘起始的扩展棱线，断口心部为纤维区韧性过载断裂宏观特征的应用•影响紧固件韧性过载断裂宏观特征的主要因素：受力状态和材料的塑性•通过断裂外观形态、宏观塑性变形方式、纤维的形态等对紧固件受力状态进行初步的判断例：拉伸应力导致的断裂：断口往往呈杯锥状或呈与应力轴45°的斜断口韧性过载断裂宏观特征的应用例：冲击应力或弯矩作用时：断口宏观特征上也可见放射棱线和剪切唇，但剪切唇在紧固件圆周上不完整例：扭转拉伸应力作用下断口呈现明显的“漩涡状”扭转痕迹韧性过载断裂微观特征•韧窝是紧固件韧性断裂的主要微观特征，但并非充要判据•判断紧固件是韧性断裂还是脆性断裂更为关键的在于紧固件断裂前是否发生可察觉的塑性变形紧固件韧性过载原因案例解析案例解析某螺栓在安装过程发生异常断裂失效存在“月牙形”高温氧化色原始断面根据扭矩、轴力、扭矩系数之间的关系抗拉强度扭矩系数K编号断裂扭矩NmMPa1-1 431.9 1222 0.0722-1 510 1240 0.084从图表中数据可以看出，螺纹和垫片未润滑和润滑后吹干扭矩系数和摩擦系数变化较小，而润滑后对扭矩系数和摩擦系数有显著的影响，从1#模拟安装情况可以看出，扭矩未达到530Nm前，就出现屈服现象。

紧固件螺栓断裂的原因有多种多样,归纳来说,一般螺栓的损坏由应力因数、疲劳、腐蚀和氢脆等原因形成。

1、应力因数超过常规应力(超应力)由剪切、拉伸、弯曲和压缩中的任一个或其组合而产生。

大多数设计人员首先考虑的是拉伸负荷、预紧力和附加实用载荷的组合。

预紧力基本是内部的和静态的,它使接合组件受压。

实用载荷是外部的,--般是施加在紧固件上的循环(往复)力。

拉伸负荷试图将接合组件抗开。

当这些负荷超过螺栓的屈服极限时,螺栓从弹性变形变为塑性区,导致螺栓永久变形,因此在外部负荷除去时不能再恢复原先的状态。

类似原因,如果螺栓上的外负荷超过其极限抗拉强度,螺栓将断裂。

螺栓拧紧是靠预紧力扭转得来的。

在安装时,过量的扭矩导致超扭矩,同时也使紧固件受到了超应力而降低了紧固件的轴向抗拉强度,即在连续扭转的螺栓与直接受张力拉伸的相同螺栓相比,屈服值比较低。

这样,螺栓有可能在不到相应标准的最小抗拉强度时就出现屈服。

扭转力矩大可以使螺栓预紧力增大.使接合松弛相应减少。

为了增加锁紧力,预紧力一般采取上限。

这样,除非屈服强度和极限抗拉强度之间差异数目很小,一般螺栓不会因扭转而出现屈服现象。

剪切负荷对螺栓纵轴方向施加一个垂直的力。

剪切应力分为单剪应力和双剪应力。

从经验数据来讲,极限单剪应力大约是极限抗拉应力的65%。

许多设计人员优选剪切负荷,因为它利用了螺栓的抗拉和抗剪强度,它主要起类似销钉的作用,使受剪切的紧固件形成相对简单的联接.缺点是剪切联接使用范围小而且剪切联接不能经常使用,因其要求更多的材料和空间。

我们]知道,材料的组成成分和精度也起一定的决定性。

但是,将抗拉应力转换成剪切负荷的材料数据往往却是得不到的。

紧固件预紧力影响剪切联接的整体性。

预紧力越低,在与螺栓接触时接合层越易滑动。

剪切负荷能力通过乘以橫平面数计算(一个剪切平面通称单剪,两个剪切平面通称双剪),这些平面应该是无螺纹螺栓的横截面。

我们不提倡设计通过螺纹的剪切,因为紧固件的剪切强度可在横截面变化时被应力集中克服。

螺栓断裂原因分析及预防摘要：本文通过对失效螺栓及同批次的零件进行理化分析和无损检测。

对断裂件进行了宏观、微观断口观察、金相组织检查、硬度、化学成分、破坏拉力等一系列试验，经分析找出螺栓失效原因，并提出预防措施。

关键词：螺栓断裂回火脆化螺栓作为飞机上重要的紧固件，其发生断裂危害较大。

我厂修理过程中使用的螺栓主要为M4、M5、M6、M8和M10等规格，然而在某产品装配和停放过程中，某批次30CrMnSiA M8的螺栓先后发生脆性断裂。

引起工厂高度重视，因为螺栓发生脆断，不论是氢脆断裂，还是热处理造成的脆性断裂大都与“批次性”问题有关，涉及数量多，危害大，组织专业人员对螺栓在装配过程中及装配一段时间后发生断裂的原因进行了分析，并对后续的预防工作，提出了建议和方案。

1 宏观、微观检查对断裂螺栓进行宏观观察：发现断裂位置接近于第一扣螺纹处见（图1）。

断裂处螺纹表面未发现有明显的机械接触痕迹，如压坑、啃刀、划伤等表面缺陷，也未发现热处理表面烧蚀痕迹、螺纹变形等现象，没有局部麻点、剥蚀等缺陷。

断裂螺栓螺纹牙底呈线性起源，放射棱线粗大，断口附近无明显宏观塑性变形，断口齐平，呈暗灰色，断面粗糙，具有金属光泽（图2）。

图1断裂螺栓图2螺栓断口图3 螺栓整体形貌对裂纹断口进行观察，断口特征呈现以沿晶为主＋韧窝的混合断裂形貌，且断口源区未见冶金和加工等产生的缺陷。

对同批次的螺栓抽样进行了磁粉检测，在螺纹的根部没有发现表面或近表面裂纹，对螺栓进行X射线检测，也没有发现内部缺陷。

同批螺栓见图3。

2 材质检验2.1成份分析抽取同批次的螺栓去掉镀层后制取化学粉末，采用碳、硫联合测定仪对碳、硫含量进行了检测，利用QSN750光谱仪对其它元素进行了检测，结果见(表1)，螺栓的化学成分符合技术要求，但含碳量较高。

表1 化学成份检测结果表2.2 金相分析在靠近断口位置切取金相试样，镶嵌、磨抛、腐蚀后，显微镜对试样进行组织观察，螺栓显微组织为较粗大的回火马氏体（图4）。

螺栓断裂分析报告一、引言螺栓是一种常见的连接元件，在机械设备和结构工程中得到广泛应用。

然而，螺栓在使用中可能会发生断裂，给机械设备和结构的安全运行带来隐患。

本报告旨在对螺栓断裂进行分析，并提供解决方案，以确保设备和结构的安全性。

二、螺栓断裂原因分析1.质量问题：螺栓断裂可能是由于螺栓本身存在质量问题所致，如材料强度不符合标准、制造工艺不良等。

为此，应关注螺栓的采购渠道和制造工艺，并严格按照相关标准进行选择和检测。

3.腐蚀问题：腐蚀是导致螺栓断裂的常见原因之一、在潮湿、酸性或碱性环境中，螺栓易受到腐蚀，使其材料的强度降低。

因此，在腐蚀环境中应选择抗腐蚀性能良好的螺栓材料，并进行定期维护保养。

4.紧固力不均匀：不正确的紧固力分布可能导致螺栓在负载过程中承受不均匀的力，从而引发断裂。

在安装过程中，应根据设备或结构的要求，采用正确的紧固力分布方案，并进行定期检查和调整。

三、螺栓断裂的解决方案1.优化选材：根据设备或结构的负荷、工作环境等要求，选择合适的螺栓材料。

关注材料的强度、韧性、抗腐蚀性等指标，并遵循标准进行选材。

2.合理设计螺栓连接：根据实际负荷情况和工作要求，合理选用螺栓的规格、数量和布置方式，并确保紧固力的均匀分布。

在设计过程中，可以借助有限元分析等工具来验证螺栓连接的安全性。

3.定期检查和维护：对于暴露在恶劣环境中的螺栓，应定期进行检查和维护，特别是针对腐蚀环境。

清洁螺栓表面，涂覆抗腐蚀涂层，必要时更换受损螺栓，以延长其使用寿命。

4.强化管理和培训：通过建立规范的螺栓管理制度和培训机制，提高操作人员的专业水平，加强螺栓使用和维护的知识宣传，以减少螺栓断裂的发生。

四、结论螺栓断裂是机械设备和结构工程中常见的问题，但可以通过合理选材、优化设计、定期维护和加强管理来减少其发生。

对于已经断裂的螺栓，应及时进行更换，并对其断裂原因进行调查分析，以避免类似问题再次发生。

通过以上措施的综合应用，能够提高螺栓连接的安全性和可靠性，保证设备和结构的正常运行。

轴承紧固件行业中常见故障原因及预防措施分析轴承紧固件是指用于连接轴承和机座的各种螺栓、螺母、销子、垫片等零部件。

在轴承紧固件行业中，常见的故障原因主要包括紧固件材质问题、紧固件装配问题、紧固件松动及滑脱等。

针对这些常见故障，本文将进行分析，并提出防范措施。

首先，紧固件材质问题是导致轴承紧固件故障的主要因素之一。

例如，如果使用的螺栓材料强度低于设计要求，会导致螺栓断裂。

此外，螺母材质疲劳强度不足也会造成紧固件的松动。

为了预防这些故障，首先应选择材质符合要求的紧固件。

在使用螺栓时，应确保强度符合设计要求，并严格按照材料的使用寿命来进行定期更换。

此外，在选择螺母时，应注意其强度和疲劳强度是否满足要求。

其次，紧固件装配问题也是导致轴承紧固件故障的一个重要原因。

轴承紧固件的装配质量直接影响着机器的性能和寿命。

装配不当会使轴承紧固件出现松动、错位、损坏等问题，进而导致机器噪音、振动和过早的失效等故障。

为了预防这些故障，首先应确保紧固件的装配工艺规范、严密。

在安装螺栓时，应按照技术要求确定紧固力；在安装螺母时，应确保螺母旋紧到规定扭矩，并对紧固件进行定位、标识，防止装配不当造成的失效。

另外，紧固件本身的松动也是常见的故障。

在运行过程中，螺栓螺母由于振动等外界作用力造成松动，导致紧固件与轴承之间的连接关系变弱，进而引发故障。

为了预防紧固件松动的故障，可以采取以下措施：首先，应选择合适的安装工艺和方法，例如使用带垫片的紧固件，应使用合适的垫片，并根据实际需求确定其数量和位置；其次，在装配时，应定期检查和紧固紧固件，确保其紧固力恒定；此外，还可以采用防松设备，例如使用弹簧垫圈、锁紧螺母等，增加紧固件的粘滞力。

此外，轴承紧固件的滑脱也是常见的故障现象。

滑脱是指螺栓或螺母在运行过程中由于振动或加载时产生的外力而使紧固件的连接失效。

滑脱会导致轴承紧固件松动，甚至造成机器失效。

为了预防轴承紧固件的滑脱故障，首先应合理设计紧固件的连接结构，并根据实际需求选择合适的紧固件。

断裂失效的分类
断裂失效的分类主要包括：
1. 疲劳断裂：由交变载荷引起的断裂。

2. 应力腐蚀断裂：在拉应力及腐蚀介质的共同作用下发生的断裂。

3. 蠕变断裂：在长期恒温、恒应力的作用下，材料塑性流动导致的断裂。

4. 应力松弛破坏：螺栓、紧固件等连接部位的物体，由于应力松驰造成的断裂。

5. 磨蚀断裂：磨蚀和断裂同时作用造成的断裂。

6. 氢脆断裂：由于氢进入材料内部，造成晶体缺陷，使强度降低从而导致断裂。

7. 温度梯度断裂：温度突变引起的外力过大造成的断裂。

以上是断裂失效的一些主要分类，每一种都由不同的原因导致，需要具体分析。

M56螺栓断裂失效原因分析■ 李玲，孟庆宇，刘旭科，程良我公司生产的用于回转部上上框架外侧弧形框连接法兰最外侧上部的两件M56×210螺栓发生断裂。

螺栓规格为M56，所用材料为40Cr ，设计要求硬度为28～32HRC ，表面镀锌，镀层厚度设计要求为7～12μm 。

两件断裂螺栓宏观形貌如图1所示，断裂位置均位于螺纹段，1#螺栓断裂位置距端头约50m m （装配面附近），2#螺栓断裂位置距端头约70m m ，断裂位置未见机械损伤及明显塑性变形痕迹，断口及螺栓表面存在明显的腐蚀痕迹。

螺栓紧固件是机械设备上不可缺摘要：两件M56×210螺栓发生断裂，通过扫描电镜、能谱成分、金相及硬度检验对断口进行分析，表明两件螺栓的断裂模式均为脆性延迟断裂，机理为氢脆及应力腐蚀。

发生断裂的原因应与热处理工艺控制不当导致材料硬度过高，具有较高的氢脆敏感性有关。

关键词：螺栓；断裂；氢脆；应力腐蚀；硬度扫码了解更多少的通用零部件，用量大，使用范围广，对其断裂失效原因进行分析是十分必要的。

1. 检验与结果（1）宏观分析 体视显微镜下观察两螺栓断口，宏观形貌相似，断口凹凸不平，断面粗糙，存在明显的腐蚀痕迹，其中2#断口腐蚀程度更严重；源区位于螺纹根部表面，为线源起裂，扩展区呈放射状，如图2所示。

（2）断口扫描电镜分析 采用扫描电镜对两个螺栓断口进行微观形貌观察，1#断口和2#断口源区及其附近扩展区均呈沿晶+腐蚀形貌，沿晶区域最大深度约5mm ，可见较多沿晶二次裂纹，晶面可见微孔及“鸡爪纹”，部分晶面可见腐蚀痕迹，如图3、图4所示。

（3）能谱成分分析 对断面进行能谱分析，未腐蚀晶面含有图1 断裂螺栓宏观形貌1#2#（a ）1#断裂面 （b ）2#断裂面 （c ）1#断口宏观形貌 （d ）2#断口宏观形貌图 2（a）1#断口形貌（b）1#断裂口微孔及“鸡爪纹”（c）2#断口形貌（d）2#断裂口微孔及“鸡爪纹”图3 源区沿晶形貌（a）1# （b）2#图4 源区晶面腐蚀形貌（a）未腐蚀晶面（b）腐蚀晶面图5 断面能谱分析表1 原材料40Cr成分复验情况汇总（a）（b）图6 断口表面腐蚀及沿晶分叉裂纹形貌（a）（b）（c）图7 显微组织形貌（a）（b）图8 表面镀层形貌扫码了解更多的主动轴，在使用过程中，出现批量断裂事故。

紧固螺栓断裂分析摘要：通过螺栓断口宏微观形貌检测、电镜检测、金相检测、机械性能分析、化学成分分析手段，综合分析紧固螺栓断裂性质，并分析断裂失效的原因，结果表明失效的原因可能有两点：一是酸洗过程氢进入金属内部导致氢脆；二是高温回火时导致材料出现高温回火脆性，其中发生氢脆的可能性较大。

关键词：螺栓；氢脆；合金结构钢；高温回火脆性1前言发蓝处理，是将钢在空气中加热或者直接浸泡在浓氧化性溶液中，使其表面产生极薄的氧化物膜的材料保护技术。

发蓝处理在酸洗过程中，酸洗液中酸分解后会产生H-，H-成为吸附在钢铁表面的H原子,由于H原子具有最小的原子半径，容易在钢等金属中扩散,部分H原子越过金属表面，并扩散进入金属的晶格,在应力集中处或缺陷处富集,聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹被称为氢脆。

氢脆敏感性与材料强度密切相关,氢脆断裂的临界应力极限随着材料强度的升高而急剧下降。

这是因为金属晶体中位错、晶界、沉淀相等氢积聚点多,在酸洗、电镀过程中易于吸H,基体内应力较大。

一般认为,抗拉强度低于1 GPa的合金钢一般不发生氢脆。

合金结构钢在450～600℃之间出现的回火脆性称高温回火脆性。

出现这种回火脆性时，钢的冲击韧性降低，脆性转折温度升高，但抗拉强度和塑性并不改变，对许多物理性能也不产生影响。

引起高温回火脆性的杂质元素有P、S、B、Sn、Sb、As等。

但当钢中不含Ni、Cr、Mn、Si等合金元素时杂质元素的存在不会引起高温回火脆性。

但当杂质元素含量一定时，Ni、Cr、Mn、Si元素含量愈多，脆化就愈严重。

当两种以上元素同时存在时，脆化作用就更大。

高温回火脆性的脆化速度和脆化程度均与回火温度和回火时间密切相关。

温度一定时，随回火时间延长，脆化程度增大。

在550℃以下，回火温度愈低，脆化速度就愈慢，但能达到的脆化程度也愈大。

材质为18Cr2Ni4WA的内燃机车轴箱紧固螺栓，在机车运行过程中发生断裂，紧固螺栓的制造工艺流程为：备料-墩方头-正火+高温回火-抛丸-调质-车端面-车外圆与螺纹-钻孔-去毛刺、锐棱倒钝-探伤-发蓝处理。

紧2012-7-3112012-7-312 1.材料缩孔▲材料改制断裂▲零件淬火开裂▲零件强度降低早期失效2012-7-3132.碳偏析▲材料竹节裂纹▲零件淬火开裂▲零件脆断3.组织异常▲球化退火效果差▲镦制零件硬度高开裂或变形效果差2012-7-3142012-7-3154.材料脱碳5.材料裂纹、划伤▲脱碳影响螺纹强度及螺栓强度（撸扣/拉长/疲劳破坏）▲裂纹划伤引起镦裂废品及零件表面质量不良或淬火开裂2012-7-3166.夹杂物▲严重时零件易淬裂或降低螺栓强度2012-7-3177.螺纹脱碳检测▲螺纹脱碳超标影响联接强度（撸扣/疲劳破坏）2012-7-3188.淬火裂纹过热魏氏组织2012-7-3199.金属流线▲不良的金属流线可引起裂纹或降低R 处强度及加工缺陷10.R角折叠2012-7-311011.δ-F（磷聚集层）▲增加高强度螺栓的脆性2012-7-31112012-7-311212.现生产出现的δ-F13.CQ1420625（S38K未调质上HRC21.8)2012-7-311314.2912411A398组织粗大，网F及魏氏组织2012-7-311415.45钢齿轮未淬上火且组织粗大2012-7-3116▲与表面增碳/表面硬度高相关▲与材料/回火程度因素等相关2012-7-3117▲与材料成份相关▲与R 角形态或折叠相关▲与热处理参数及介质相关2012-7-311819.螺栓装配拉长变形（或断裂）▲零件强度硬度低（金相组织）Array▲装配工艺（扭矩/轴力）不当▲表面摩擦与润滑有影响2012-7-31192012-7-312020.螺栓疲劳断裂▲与螺栓松动（预紧或维护拧紧）有关▲与超负荷使用有关▲受力为双向弯曲疲劳应力。

螺栓断裂失效模式
螺栓断裂失效模式是指螺栓在使用过程中出现断裂现象的具体形式和原因。

常见的螺栓断裂失效模式包括以下几种：
1. 疲劳断裂：螺栓在受到重复加载的情况下，由于应力集中、材料的疲劳寿命到达或低周疲劳引起的断裂，常见于长期受到振动或震动加载的螺栓。

2. 过载断裂：螺栓受到超过其承载能力的加载时，由于应力超过材料强度极限而引起的断裂。

过载断裂通常发生在突然的大负荷或冲击加载下。

3. 弯曲断裂：螺栓由于受到应力集中或不均匀加载而产生弯曲变形，最终导致断裂。

弯曲断裂通常发生在螺栓的长度与直径比较大的情况下。

4. 腐蚀断裂：螺栓长期暴露在腐蚀介质中，导致螺栓材料的腐蚀损失，最终引起断裂。

5. 应力腐蚀断裂：螺栓同时受到应力和腐蚀介质的作用，引起材料的应力腐蚀破坏，最终导致断裂。

螺栓断裂失效模式的分析可以帮助设计和使用螺栓时避免断裂问题的发生，提高螺栓的可靠性和安全性。

13. 网架螺栓断裂原因分析对一个M39×131的网架螺栓在服役中发生断裂的原因进行分析。

螺栓由40Cr钢制造，并经调质热处理。

一、 外观螺栓断裂处位于杆部的第二个螺扣牙根处。

螺栓断裂部位未见塑性变形，断口有部分锈蚀。

二、 断口图1为螺栓断口的宏观照片。

图1 断口宏观形貌断口可明显分成三个区。

Ⅰ区为无明显花样的光滑区；Ⅱ区为呈海滩花样的条带区；Ⅲ区为最后断裂区——瞬断区，该区平面与螺栓轴线大体呈45°角，属于剪切断裂区。

由断口特征可以判断，螺栓断裂属于弯曲疲劳断裂。

为了更清晰的观察断口三个区的形貌，将三个区进行局部放大观察（图2）Ⅰ区 Ⅱ区（其中白道为滑伤）Ⅲ区图2 断口三个特征区的局部放大形貌8×由照片可见，Ⅰ区为疲劳裂纹萌生及缓慢扩展区。

螺纹在螺纹根部高应力集中区首先诱发裂纹，在周期交变应力的作用下，螺纹反复张合，产生摩擦挤压，因而形成光滑断面。

在该区裂纹起始部位（图中箭头所指），可见大量细小台阶，说明疲劳裂纹的产生是多源的，此系在缺口应力集中时疲劳裂纹产生的典型形貌特征。

Ⅱ区为疲劳裂纹快速扩展区，其形貌特征为有明显的且平行的海滩状前沿线，此系裂纹扩展时周期性伸展与停歇而留下的痕迹。

该区约占断口总面积的2/3。

Ⅲ区为最后断裂区，断口粗糙灰暗。

该区的形成为裂纹扩展至一定程度后（Ⅱ阶段结束），剩余断面不堪承受外力作用，瞬时被拉断的结果。

Ⅰ区和Ⅱ区占整个断口面积的90％以上。

三、 低倍、金相组织1.夹杂图3为螺栓材料中的非金属夹杂物，主要为球状不变形氧化物，评定为3级（GB 10561-1989）。

图3 夹杂物100×2.金相组织螺栓材料的金相组织为调质索氏体＋部分断续网状铁素体和针状铁素体（魏氏组织）（图4）。

100× 500×图4 螺栓材料金相组织四、 初步分析意见1.螺栓的断裂属于弯曲疲劳断裂。

螺栓在服役过程中承受了单向弯曲交变应力（或者说双向弯曲交变应力，但其中一侧的应力远大于另一侧）。

图6 图2中贯穿直径方向的直脊的高倍形貌对图2中贯穿直径方向的一条直脊高倍观察，可以看出，该脊实际上是一条撕裂带，它是该脊两侧的不同断裂面扩展相接时产生的撕裂区。

由于两侧诱发断裂的外界条件相同，裂纹扩展途径，速率也不存在大的区别，因而其交界面表现为一条近似的直线（图6）。

图7为1号螺钉的断口形貌，与2号螺钉的断口基本相同，断裂机制同样为解理＋准解理＋少量沿晶断裂的脆性断裂范畴。

图7 1号螺钉的断口微观形貌5.低倍、金相组织图8为2个螺钉材料中的非金属夹杂物，主要为氧化物、硅酸盐和球状不变形夹杂物，其中尤以硅酸盐最为严重（3～4级，GB/T10561-1989）。

图8（d）中长条夹杂物中间包含有金属基体的碎块，因此可以认为该夹杂物实际是一条裂纹。

a 100×b 250×c 100×d 100×e 250×图8 螺钉材料中的非金属夹杂物及裂纹a、b—1号螺钉；c、d、e—2号螺钉沿螺钉轴向截开制成金相试样，可以清楚地看到齿根部的裂纹（图9）。

邻近断口地第一个齿根部裂纹最长，远离断口地第5个齿根部裂纹最短，如果说1号齿根部的长裂纹可能是由于使用中产生的，那么远离断口的第5个齿根部存在的细裂纹只能说明是原始存在的。

图9 2号螺钉齿根部的裂纹 25×同一截面上另一侧齿根部同样存在裂纹（图10），只不过裂纹较细而已。

图10 图9中另一侧螺纹齿根部的裂纹（箭头所指） 25× 1号螺钉除齿根部存在微细裂纹外，齿侧由于发生表面剥落而显得凹凸不平，有的齿在齿高中部就已经出现断裂，显示很大的脆性（图11）。

a 25×b 25×c 100×图11 1号螺钉的齿根裂纹及剥落（图c为图b的放大，箭头所指为裂纹）2号螺钉材料的金相组织完全相同，为铁素体＋细片状珠光体。

纵截面组织中，珠光体被拉拔成长条带状，说明材料为冷拔料（图12）。

紧固件典型失效形式（氢脆、应力腐蚀、疲劳）及案例解析氢致延迟断裂由于氢渗入金属内部导致损伤，从而使金属零件在低于材料屈服极限的静应力持续作用下导致的失效称为氢致延迟断裂，俗称氢脆。

根据氢的来源可分为内部氢脆和环境氢脆。

氢脆断裂宏观特征•断裂多发生在螺纹牙底或头部与杆部过渡位置等应力集中处；•断口附近无宏观塑性变形，断口平齐，结构粗糙，氢脆断裂区呈结晶颗粒状，色泽为亮灰色，断面干净，无腐蚀产物；•氢脆断口上一般可见放射棱线；•氢脆断裂源可在表面，也可在次表层，这主要与拉伸应力水平、加载速率及缺口半径、氢浓度的分布等因素有关。

氢脆断裂微观特征•氢脆断口微观形貌受到诸多因素的影响：材料种类、材料成分、强度级别、组织形态、晶粒大小、加工方式、使用环境、受力条件、工作时间及氢含量等；•氢脆裂纹一般无分叉；•断口微观形貌一般显示沿晶分离，也可能是穿晶的；•高强钢沿晶面平坦，没有附着物，有时可见白亮的、不规则的细亮条，这种线条是晶界最后断裂位置的反映，并存在大量的鸡爪形的撕裂棱；•氢脆断裂微观形貌在断口的不同区域呈现过渡变化特征与裂纹的应力强度因子K有关；•裂纹开裂早期，K值较低，断口呈晶间断裂。

裂纹再向前扩展，在中等K值下，断口微观形貌呈现为解理开裂特征，并逐渐向准解理与韧窝形貌转变；在K值很大时，断口一般呈现穿晶+韧窝或韧窝形貌。

沿晶→解理、准解理→韧窝氢脆断裂的判据•紧固件是否是延迟断裂；•紧固件工作应力主要是拉应力，没有使用的紧固件一般是受到较大的残余应力作用所致；•氢脆断裂的临界应力极限σH随着材料强度的升高而急剧下降；一般钢硬度低于22HRC时不发生氢脆断裂而产生鼓泡；•起裂区微观呈沿晶形貌，晶面可见鸡爪状撕裂棱和晶间二次裂纹；•氢含量并非为发生氢脆的唯一判决，受多种因素共同影响，对于高强度紧固件，甚至氢含量在低于1ppm的情况下也会发生延迟断裂。

案例解析1：某规格12.9级高强度螺栓发生氢脆断裂，断裂位于头杆连接过渡部位。

螺纹紧固件疲劳断裂产生的原因
我跟您说啊，这螺纹紧固件疲劳断裂，那可不是个简单事儿。

就说那螺丝吧，天天在那机器里头转啊转，干着又重又累的活儿。

你想啊，它那身子骨能吃得消吗？这就好比一个人，整天不停地跑马拉松，跑着跑着，腿能不断吗？
先说这材质，有的螺丝那材料就不咋地，软了吧唧的，稍微使点劲儿就不行了。

还有那加工工艺，粗糙得很！螺纹都不规整，坑坑洼洼的，能不影响它的耐力吗？
再一个，就是受力不均。

这边使的劲儿大，那边使的劲儿小，这螺丝心里也苦啊，“凭啥这么对我呀？”时间一长，它就撑不住了，“咔”就断了。

还有环境因素呢，要是在那又潮又热的地方，螺丝也容易遭罪。

就像人在恶劣环境里容易生病一样，它也扛不住啊。

反正这螺纹紧固件疲劳断裂，原因多了去了，真得好好琢磨琢磨，才能搞清楚咋回事儿！。

超高强度螺栓断裂失效分析摘要：螺栓作为重要的紧固件，其失效事故较多，危害极大。

其中，螺栓氢脆断裂是一种常见的失效模式。

由于氢脆主要与批次问题有关，因此危害更大。

螺纹连接是发动机部件之间最常用的连接，约占发动机连接的70%。

螺栓的应力特性决定了它是发动机的薄弱部分。

因此，连杆螺栓的失效分析和预防非常重要。

对超高强度螺栓的断裂失效进行了分析。

关键词：超高强度螺栓；断裂破坏；氢脆超高强度螺栓是经过铆接和焊接而发展起来的一种钢结构连接形式。

它具有结构简单、可拆卸、承载力大、抗疲劳、安全等优点。

因此，高强螺栓连接已发展成为工程安装的主要手段。

1例分析某轴承上使用了某种类型的高强度螺栓，其强度要求非常高。

经过5个月的生产检验合格后，发现部分螺栓螺纹处相继断裂。

该类高强螺栓为铰孔螺栓（螺纹长95mm），材质为35CrMnSiA钢，规格为M56，螺纹长235mm，强度要求符合gb/t3077-1999。

制造工艺如下：坯料电渣重熔→预处理→超声波探伤→粗加工（单边余量3～5mm）→淬火和回火处理（950℃淬火、630℃回火）→半精加工→淬火热处理（淬火温度900℃，310℃回火）→机械性能检查→完成→磁粉探伤（含螺纹）→表面油漆保护→装配目前，无损检测方法无法检测出螺栓内部0.2mm以下的微裂纹。

通过金相检验、氢含量检验和断口扫描电镜分析，对断裂的螺栓和未断裂的随机试样进行了检验，并分析了断裂原因。

2实验方法和结果2.1受试者。

试验对象为2个此类螺栓，包括断裂的铰制螺栓和1个相应的相同类型的未断裂螺栓。

2.2外观检查。

目测第一螺纹段铰制螺栓断口齐平，无塑性变形，断口垂直于轴线，为一次性脆性断裂。

断口附近有明显的腐蚀痕迹。

2.3化学成分分析。

对两个螺栓样品的化学成分进行了测试和分析。

结果表明，两个螺栓的化学成分均符合标准。

2.4氢含量检测。

对断裂铰孔螺栓和未断裂铰孔螺栓的光杆边缘、r/2和芯部进行了氢含量检测。

断裂和未断裂螺栓的光杆边缘和芯部的检测结果基本相同，r/2处的检测结果差异较大，分别为2.0×10-6和0.6×10-62.5断裂分析。

螺栓断裂原因分析及预防
一般情况下，分析螺栓断裂从以下四个方面着手：螺栓的质量，螺栓的预紧力矩，螺栓的强度，螺栓的疲劳强度。

1、实际上，螺栓断裂绝大多数情况都是因为松动而断裂的，是由于松动而被打坏的。

因为螺栓松动打断的情况和疲劳断裂的情况大体相同，我们总能从疲劳强度上找到原因。

实际上，疲劳强度大得我们无法想象，螺栓在使用过程中根本用不到疲劳强度。

2、螺纹紧固件的松动不是由于螺栓的疲劳强度：
螺纹紧固件在横向振松实验中只需一百次即可松动，而在疲劳强度实验中需反复振动一百万次。

换句话说，螺纹紧固件在使用其疲劳强度的万分之一时即松动了，我们只使用了它大能力的万分之一，所以说螺纹紧固件的松动也不是因为螺栓疲劳强度。

3、螺纹紧固件损坏的真正原因是松动：
螺纹紧固件松动后，产生巨大的动能mv2，这种巨大的动能直接作用于紧固件及设备，致使紧固件损坏，紧固件损坏后，设备无法在正常的状态下工作，进一步导致设备损坏。

受轴向力作用的紧固件，螺纹被破坏，螺栓被拉断。

受径向力作用的紧固件，螺栓被剪断，螺栓孔被打成橢圆。

综上所述：选用防松效果优异的螺纹防松方式是解决问题的根本所在。

高强度紧固件失效实例分析ⅰ疲劳断裂的实例一．疲劳断裂的特征1．疲劳与断裂的概念：疲劳是机械零件常见的失效形式，据统计资料分析，在不同类型的零件失效中，有50%—80%是属于疲劳失效。

疲劳断裂在破坏前，零件往往不会产生明显的变形和预先的征兆，但破坏却往往是致命的，会酿成重大事故。

疲劳损坏产生及发展有其特点，最终形成为疲劳断裂。

疲劳问题的探索，最早是在1839年，法国人彭赛列提出材料和结构件的疲劳概念，德国人A·沃勒在1855年研究了代表疲劳性能的应力应变与震动次数的理论（S—N曲线），并且提出了疲劳极限的概念，因此，沃勒被称为材料疲劳理论的奠基人。

疲劳与断裂的力学理论经过一百多年的发展，各行业具体疲劳断裂事例不断涌现，经过科学家及工程师不间断地研究和探索，目前，疲劳断裂科学理论不断地充实和发展，从而在本质上了解了疲劳破坏的机理。

疲劳概念的论述：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳；疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称为疲劳断裂。

也可简称为金属的疲劳。

引起疲劳断裂的应力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。

2．疲劳的分类：（1）高周疲劳与低周疲劳10的疲劳，如果作用在零件或构件的应力水平较低，破坏的循环次数高于5称为高周疲劳，弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。

10的疲作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次数较低，一般低于4劳，称为低周疲劳。

例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。

（2）应力和应变来分：应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周疲劳；应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周疲劳。

复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称为复合疲劳。

（3）按照载荷类型弯曲疲劳扭转疲劳拉拉疲劳与拉压疲劳接触疲劳振动疲劳随着断裂力学的不断发展，行业内广大的技术人员逐渐认识疲劳裂纹的产生及其发展的规律，为控制和减少疲劳引起损害奠定了基础。