探討高強螺栓的失效分析

古曉峰

摘 要：隨著高強螺栓工作應力的增加及其應用領域的擴大，對高強螺栓鋼材的性能提出了更高的要求：既要滿足螺栓的高強度性能，又要確保工作的可靠性，但高強螺栓的失效情況也不斷出現。本文主要對高強螺栓的失效情況進行分析，以期能為生產實踐提供參考。

關鍵詞：高強螺栓；失效；分析

中圖分類號：G622 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2016）12-232-01

失效分析是一門新興發展中的學科，在提高產品質量，技術開發、改進，產品修復及仲裁失效事故等方面具有很強的實際意義。

一、失效分析定義

一個零件或部件不能履行設計賦予它規定的功能，稱該零件或部件失效。它包括以下三個內容：（1）完全不能工作；（2）可以工作，但不能令人滿意地完成預期的功能；（3）受到嚴重損傷不能可靠而安全地連續使用，必須拆下來進行修理或更換。應注意把失效與廢品區別開來，前者是在使用過程中出現的，后者是在生產制造過程中產生的。另外，失效又分為正常失效和非正常失效，達到設計壽命的為正常失效，反之為非正常失效，后者才是通常失效分析工作的主要對象。

二、失效分析過程

首先對斷口進行宏觀分析，初步確定斷裂類型；若為脆斷，則進行成分分析，鑒定材料是否存在成分偷工減料；若無，則進行微觀分析。包括金相分析和斷口微觀分析，其中前者是為了確定基體組織是否是滿足實際工況要求的組織；后者通過斷口的形貌進一步鑒定斷裂失效類型。最后對材料進行性能測試，看是否到達工況要求。最后綜上分析過程得出螺栓斷裂失效的原因并就存在的問題提出有效預防措施。

三、失效的來源

失效的來源主要有以下方面：設計、選材、材料缺陷、制造工藝、貯存、運輸、裝配等。

螺栓失效的斷口分析，斷裂是機器零件失效最嚴重的表現形式之一，對斷裂的研究已發展成一門獨立的邊緣學科，涉及到斷裂力學、斷裂物理、斷裂化學和斷口學等多個分支。

斷裂后產生的斷口存儲記錄了大量失效特征及失效原因的信息，因此，斷口分析是失效分析最基本、也是最重要的方法之一。通過斷口的形態分析去研究一些斷裂的基本問題：如斷裂起因、斷裂性質、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過程的應力狀態以及裂紋擴展速率等。

四、失效形式分析

1、材質缺陷。

在安裝初期，只按照標準選取符合工作要求的類型、尺寸和性能等級的螺栓而沒有考慮其材質、加工工藝和熱處理等，但螺栓的材質、加工工藝和熱處理狀態正是影響其力學性能、質量的重要因素。因此在質量管理中出現的材質缺陷是螺栓出現失效的重要因素之一。在安裝過程中，由于預緊力過大等原因，螺栓材料易發生斷裂，在機組的長期運行過程中，由于高應力的作用，螺栓材料容易產生疲勞斷裂，為確保安全運行，加強對重要部位螺栓的安全管理、全面檢驗甚為重要。

2、過載失效。

螺栓的過載失效是指在服役過程中發生突然瞬間的斷裂，這種失效預先并無明顯征兆，所以其危害嚴重。

過載失效的特征：高強度螺栓的使用極為廣泛，螺栓上的螺紋實際上就同缺口一樣，應力集中系數較高。當其與螺母配合時，應力集中系數進一步提高。通過壓縮螺母傳遞載荷的螺栓，應力最集中是在靠近螺母支承面的第一扣螺紋處。此外，由于螺栓的結構特點，頭部和桿部交接處的應力也較集中。因此，螺栓的過載失效而導致其斷裂多在這兩個部位產生。

3、高強度螺栓的應力腐蝕。

（1）應力腐蝕發生的條件。必須有拉伸應力存在。拉伸應力越大，則斷裂所需要的時間越短。斷裂所需要的應力一般低于材料的屈服強度。螺栓在服役中所承受的拉伸力以及在裝配中的預緊力，都是導致發生應力腐蝕的條件。

（2）必須有對材質敏感的腐蝕介質存在。當應力與腐蝕介質形成一個系統時，材料才能發生應力腐蝕開裂的缺陷。

4、疲勞性能失效。

影響高強度螺栓疲勞性能的因素：（1）螺帽結構的影響；（2）螺紋牙溝形狀和半徑尺寸的影響；（3）螺栓表面粗糙度的影響；（4）滾制螺紋工序的影響。

疲勞斷裂在全部結構零件的破壞中占絕大多數，疲勞斷口大體上可分成三個區：（1）裂紋源區：一個光滑、細膩的細小區域，由于受交變應力的作用，裂紋兩側，因反復擠壓而變得平坦、光滑。（2）裂紋擴展區：該區的最大特點是有疲勞弧線。這是裂紋擴展中的停頓或應力大小變化時，裂紋前沿線所留下的痕跡。微觀形貌是存在疲勞輝紋。（3）裂紋快速擴展區：疲勞裂紋擴展至一定深度后，零件的剩余截面積不足以抵抗外力的作用而產生瞬時破斷。該區的特征是放射條帶。

螺栓疲勞斷裂的原因是輪轂螺栓松動，導致螺栓工作中承受異常彎曲疲勞載荷而斷裂。輪轂螺栓松動的原因可能是裝配力矩控制不當導致，或者是螺栓和螺母的加工和配合精度等問題。

螺栓斷裂的原因有三種：應力腐蝕、氫脆和疲勞。應力腐蝕的產生需要拉應力、特定腐蝕介質，發生的溫度從室溫到300℃，是陽極反應，裂紋從表面開始，斷口不平整，多數為沿晶特征，裂紋萌生處可能有腐蝕產物；氫脆的發生需要拉應力，發生的溫度從-100℃到100℃，是陰極反應，斷口較平整、裂紋幾乎不分叉，多數為沿晶，斷口晶界面上沒有腐蝕產物。但有時氫脆與應力腐蝕往往同時發生，這時判別就非常困難，因為應力腐蝕的過程中，陽極產生的氫可以進入金屬的內部，此時就可能產生氫脆和應力腐蝕的共同作用。一般來說，在使用過程中由于環境或應力腐蝕導致的氫脆可看作廣義上的應力腐蝕破壞。疲勞斷裂主要是在交變應力作用下產生的脆性斷裂，疲勞源的形成和產生對疲勞斷裂有重大的影響，特別是對強度級別較高的材料來說，因此表面質量對承受交變載荷的高強度螺栓至關重要。

國內外有關高強度螺栓的試驗和理論研究很多，且取得了十分豐富的成果，但對于高強螺栓的斷裂機理尚需進一步研究，以便為定量評價高強螺栓的抗脆斷性提供依據。

參考文獻：

[1] 趙 楠，穆海玲，周麗萍，等.35CrMoA鋼連桿螺栓斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2008（09）：111-114.