高强度紧固件失效实例分析
高强度螺栓失效分析与探讨
水电厂高强度螺栓失效分析与探讨杨兴乾赵少勇摘要：高强度螺栓在水电厂运用十分重要,2009年8月俄罗斯萨扬·舒申斯克水电站水轮机顶盖固定螺栓疲劳断裂造成的后果给了我们深刻教训。
2013年3月思林发电厂#1机组A修时,我厂接力器基础螺栓进行超声波探伤检测时发现两颗存在缺陷的螺栓，以此为实例，我厂金属监督对螺栓失效进行了深入的分析和探讨，归纳其常见的失效形式，即材质缺陷、过载失效、应力腐蚀、及疲劳性能失效，同时提出相应的监督措施。
关键词：水电厂；螺栓；失效；强度一、前言螺栓是水电厂机组的重要部件，在制造过程中由于螺栓本身的材质及控制工艺过程不当，螺栓在长期的承受应力作用下会发生缓慢的、连续的塑性变形，从而使螺栓容易出现裂纹，高强度螺栓指的是强度达8.8级及以上的螺栓，一般用于水电厂和其他重要的螺栓。
同时各种结构的螺栓种类繁多，规格也各不相同，但均使用了不少的高强度螺栓。
对于我厂而言，高强度螺栓作为机组转动部件的连接部件和密封部件是最为常用的。
2009年8月俄罗斯萨扬·舒申斯克水电站机组长期振动超标引发水轮机顶盖固定螺栓疲劳断裂，导致发生了水电史上空前的特大事故，引起水电界金属同行的高度关注。
在此基础上结合我厂的实际情况及此次出现的接力器基础螺栓探伤检测的缺陷，本文以我厂高强螺栓存在缺陷的失效案例，对其常见的缺陷进行归类分析，以此来为同行进行交流和学习。
二、我厂接力器基础螺栓缺陷介绍我厂#1机组A修期间，在对接力器基础的高强度螺栓进行超声波探伤检测时出现了两颗存在缺陷的螺栓，该螺栓规格型号为：M42x283mm，此螺栓在我厂投产至今已服役五年，在机组的不同检修类别中都要对相应的金属监督部件进行探伤检测，此次发现接力器基础螺栓存在的缺陷引起了我厂金属监督的深刻反思和探讨，同时也为我厂的安全经济稳定运行打了预防针。
针对我厂各部件重要螺栓的制造、安装、运行过程中存在的问题，提出关于螺栓的质量监督，确保设备的安全稳定运行。
上汽紧固件问题案例
中期解决方案
01
02
03
供应商多元化
开发多个供应商，降低对 单一供应商的依赖，增强 供应链的稳定性。
提升自制能力
通过技术改造和设备升级 ，逐步实现紧固件的自制 ，减少对外采购需求。
优化产品设计
从产品设计阶段考虑紧固 件的采购和生产，选择标 准化的紧固件，降低特殊 件的需求。
长期解决方案
01
建立战略合作伙伴 关系
质量不达标。
材料问题
使用的原材料质量不稳定，或 者材料成分不符合标准，导致 紧固件的性能不佳。
设备故障
生产设备出现故障或维护不当 ，影响了紧固件的生产精度和 稳定性。
员工操作失误
操作员工的技能水平不足或工 作疏忽，导致生产出的紧固件
不符合要求。
影响分析
产品性能下降
紧固件作为汽车的重要零部件，其质量问题会导致车辆性能下降，如 安全性、舒适性和耐久性等方面的问题。
上汽紧固件问题案 例
目 录
• 问题概述 • 问题分析 • 解决方案 • 预防措施 • 总结与反思
01
CATALOGUE
问题概述
问题背景
01
上汽集团是国内知名的汽车制造 企业，其紧固件作为汽车制造的 重要零部件，对于汽车的安全性 和稳定性至关重要。
02
随着汽车市场的竞争加剧，上汽 集团在追求产量和效益的同时， 对于紧固件的质量和性能要求也 越来越高。
客户投诉增加
客户在使用过程中发现问题，导致对产品的满意度下降，进而引发更 多的投诉和维权行为。
品牌形象受损
作为知名汽车品牌，上汽的产品质量问题会对其品牌形象造成负面影 响，降低消费者对品牌的信任度。
生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ成本增加
高强螺纹紧固件的失效模式、机理分析和设计原则
剪切 应 力／ 伸 强度 拉
拧 紧螺 栓 时 ， 杆部 螺
分 由 于 拉 伸 应 变 而 承 受
图 ２ 拉扭 复合 应 力作 用 曲线
递 的 ，螺 纹联 接 件 的弹性 特性 对螺 纹牙 上 的载荷 分 布 有显 著影 响 。 由于 螺栓 和螺母 的刚度 不 同 ， 变形性 质不同， 导致 每 圈螺纹 牙上 的受 力各 不相 同。 螺纹联 接 承载 时 ， 栓受 拉 、 螺 外螺 纹螺距 增 大 ； 螺母受 压 、 内 螺 纹螺距 减 少 ；螺距 变化 造成 载荷 上升 ，分 布不 均 匀， 图 ３ 见 。显 而易 见 ， 螺纹 联接 啮 合 长度 超过 ６圈 之 后 ，增 加 更 多啮合 螺纹 对提 高 紧固件 强度 的意 义 不 是很 大 。螺栓 上接 近螺母 接 触 面的截 面 的名义 应 力 的 变化 是 由螺 纹根 部 应 力集 中造 成 的 ， 因此 螺 栓 断裂 通 常发生 在靠 近螺母 接 触 面的 螺纹处 。
肖伟 群
（ 翰 迪 尔佳联 收 获机 械 有 限公 司 产 品 开发 中心 ， 龙 江 省 佳 木 斯 ｌ４ ０ ） 约 黑 ５ ０ ２
中 图 分 类号 ：Ｈｌ ． Ｔ ３１３ 文 献 标 识 码 ： １ ３
Ｆａ ｌ ｒ ｏ ｅ ｉ ｅ Ｍ ｄ ，Ｍ ｅ ｈ ｎ ｓ Ａｎ ｌ ｓｓ ａ ｄ Ｄｅ ｉ ｎ Ｐｒ ｃｐ ｅ ｏ ｕ ｃ ａ ｉｍ ａ ｙ ｉ ｎ ｓｇ ｉｉ ｌ ｆ
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实 用技 术 ・
ＡＵＴｏＭ ｏＢＩ ＬＥ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ ＆ Ｍ ＡＴＥＲＩ ＡＬ
文 章 编 号 ：０ ３ ８ ｌ （０ ６ ０ — ０ ６ ０ １０ — ８ ７ ２ ０ ） ７ ０ ２ — ３
螺纹紧固件失效分析案例(第1部分)
螺纹紧固件失效分析案例全国紧固件标准化技术委员会机械工业通用零部件产品质量监督检测中心二〇〇八年6月序机械产品失效是一门关于研究机械产品质量的综合性技术学科，主要研究失效的规律与机理。
机械零件的失效是在特定的工作条件下，当其所具备的失效抗力指标不能满足工作条件的要求时发生的。
导致零件失效的本质原因可能是材料本身的失效抗力不足，也可能是零件存在与设计或制造等过程有关的缺陷。
产品的早期失效往往是产品质量低劣或质量管理不善及科学技术水平不高的直接反映。
失效发生后能否尽快作出正确的判断，确定失效原因，制定防止失效的措施，则是衡量有关科技人员技术水平的重要标志。
加入WTO后，我国的产品将参与国际市场的竞争，于是提高产品质量成为提高竞争力的关键因素。
失效分析则是定量评定产品质量的重要基础，也是保证产品可靠性的重要手段。
机械科学研究总院、机械工业通用零部件产品质量监督检测中心在进行大量失效分析的基础上（包括对断裂、腐蚀和磨损的深入研究，特别是断口、裂纹和痕迹分析），分析了可能出现失效的形式和类型，以供大家在生产中借鉴，在生产工艺中加以避免出现失效的可能；同时，在今后的质量纠纷中维护自己的正当权益。
机械工业通用零部件产品质量监督检测中心熊学端研究员从事了几十年失效分析研究工作，有很深的理论造诣，积累了丰富的失效分析经验，本文中列举了部分螺纹紧固件失效分析案例，希望能够为生产企业及用户提供良好的参考和借鉴；同时，中心愿为生产企业和用户在今后的失效分析中提供技术咨询和指导。
全国紧固件标准化技术委员会目 录第一部分 失效分析概述 (1)1. 失效定义 (1)2. 失效分析的意义、目的 (1)3. 失效的来源 (1)4. 失效分析的思路、方法 (1)5. 断口分析 (2)6. 断口分析部分名词术语 (3)第二部分 失效分析案例 (7)1. 汽车上臂螺栓断裂原因分析 (7)2. 溜冰鞋螺钉、螺母断裂原因分析 (12)3. 紧定螺钉断裂原因分析报告 (20)4. 连杆螺栓断裂原因分析 (25)5. 汽车轮毂螺栓断裂原因分析 (29)6. M8×55高强度螺栓断裂原因分析 (33)7. 高压开关螺栓断裂原因分析报告 (37)8. 沟槽刚性接头紧固螺栓断裂原因分析报告 (42)9. 定位螺钉断裂原因分析 (47)10. M36×280高强度螺栓断裂原因分析 (53)11. 高压线塔联结螺栓断裂原因分析 (59)12. 中压电器用螺栓断裂原因分析报告 (64)13. 网架螺栓断裂原因分析 (66)14. 螺钉断裂原因分析 (69)15. 吊环螺钉断裂失效分析 (73)16. 螺栓失效原因分析 (79)第一部分 失效分析概述在具体讲述螺纹紧固件失效分析案例以前，先对失效分析的定义、意义、目的；失效的来源；失效分析的思路与方法；断口分析和名词术语等做一简单叙述。
12.9级高强度螺栓断裂失效分析
图 １ 断 裂螺 宏 观 形 貌 （ ａ ） 断裂螺栓照 片 ． ６ Ｘ： （ ｈ ）断 【 Ｉ 宏观彤批 ． ： （ １
Ｆｉ ｇ １ Ａ ｐｐ ｃ ａ ｒ ￣ Ｌ Ｉ ］ Ｃ Ｌ ｏ １ ） 、 ｒ ｖａ ｔ ｛ ｏ １ １ ｏｆ ｆ ａｉ ｌ Ｌ Ｉ Ｆ ｔ ｂ ｏｌ ｔ （ １ ） ｐ ｉ ｃ Ｉ Ｌ Ｉ Ｆ （ ，ｏ ｆ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｌ ｝ ｏ ｌ ｔ ． ６Ｘ ： （ １ １ ）ａｐ ｐ ４ Ｊ ａｒ ￣ ｔ ｉ １ “－ ｏ１ ） Ｓ Ｕ Ｉ ＋ Ｖ ￣ ｔ ｔ ｉ ｏｎ ｏｆ ｆ ｒ ａ ￣ ’ ｔ ｕｒ ｅ Ｓ ｕＩ － ｆ ￣ ｔ ｃ ｃ． ９ ｏ Ｘ
貌 分析 ， 判 断断 裂类 型 ； 利用 Ｚ Ｅ Ｉ Ｓ Ｓ － Ｉ ｍａ ｇ ｅ ｒ ． Ａ２ ｍ 型 金 相显 微镜 ， 对 螺 栓 靠 近 断 裂 位 置 的 基 材 进 行 夹 杂
物 及金 相组 织 分析 ； 利用德国 Ｓ Ｐ Ｅ Ｃ ＴＲ Ｏ－ ＭＡＸ ｘ型
业 上肩 负 重要任 务 ， 只要 地球 上存 在着 工业 ， 则 螺 栓
表 面脏 污吹 干 净． 使 用 ＶＨＸ － ６ ０ ０ Ｅ型 ３ Ｄ光 学 显 微
（ ｂ ） ） ， 螺栓 断 口比较 平 齐 ， 无 明显 塑 性 变 形 特 征 ， 断 面 带有 放射 性 图样 ， 裂 纹 源 位 于 螺栓 边缘 处 且 裂 纹
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ７ － ０ ４ — ２ ０
Байду номын сангаас
作者简介 ： 李珍（ １ ９ ８ ６ － ） ， 女， 河 南 新 乡人 ， 硕士 ， 工 程 师
源 与扩 展 【 ｘ 均仃 褐 的 物 仔 ． 这 足ｆ ｝ ｒ ｒ 减 速
紧固件典型失效形式及案例解析过载断裂
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。
高强度紧固件失效实例分析
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。
大型起重机高强度螺栓的断裂失效分析
大型起重机高强度螺栓的断裂失效分析摘要：本文通过对一台大型起重机高强度螺栓断裂失效的分析，探究其原因和解决方法。
初步分析结果表明，螺栓断裂的主要原因是材料强度不足、应力过大和使用环境恶劣等因素导致的。
针对这些问题，本文提出了一系列改进措施，包括选用高强度材料、降低应力和改善使用环境等方面。
通过实验验证和理论计算，改进后的螺栓具备更高的强度和耐用性，可以有效地提高装置的稳定性和安全性。
关键词：起重机；高强度螺栓；断裂失效；强度分析；改进措施正文：1. 背景介绍大型起重机是现代工业中不可或缺的设备之一。
在使用过程中，螺栓作为连接装置的重要组成部分，在保证装置的稳定性和安全性方面起着至关重要的作用。
然而，螺栓也是易受力集中的零部件，容易出现断裂失效的情况。
因此，对螺栓失效进行分析和解决具有重要的理论和实践意义。
2. 断裂失效分析2.1 断裂形态分析通过对失效螺栓的断口形态进行分析，可以初步了解其失效原因。
观察失效螺栓的断口，发现其呈现出典型的断裂韧突混合断口。
2.2 强度分析对失效螺栓的材料进行强度测试，发现其强度值低于设计要求。
在使用过程中，由于受到集中载荷的作用，应力过大导致螺栓逐渐疲劳并最终断裂。
2.3 环境分析失效螺栓所处的使用环境恶劣，存在高温、湿润等不利因素。
因此，失效的螺栓容易受到腐蚀和氧化等影响，导致其材料性能和强度下降。
3. 改进措施针对分析结果，本文提出了一系列改进措施：3.1 选用高强度材料为了提高螺栓的强度，可以选用高强度材料来替代原有的材料，例如S45C、SCM43等。
这样既可以提高螺栓的耐久性，也可以在承受大载荷时发挥更好的作用。
3.2 降低应力在设计过程中，应尽可能减小螺栓所承受的载荷和应力，从而减少螺栓的疲劳损伤和断裂的可能性。
可以通过优化结构、增加支撑和缓冲措施等方法实现此目的。
3.3 改善使用环境在实际使用中，应注意维护和保养，防止螺栓受到腐蚀和氧化的影响。
可以采用表面防护涂层、常规保养和定期更换等措施，延长螺栓的使用寿命。
20MnTiB螺栓失效分析
20MnTiB螺栓失效分析1 概述高强度螺栓是继铆接、焊接之后发展起来的一种钢结构连接型式。
它具有施工简单、可拆卸、承载大、耐疲劳、较安全等优点。
因此, 高强度螺栓连接已发展成为钢结构工程安装的主要手段。
20MnTiB钢高强度螺栓用于航天发射塔架斜支梁、悬臂梁及主梁联结板的连接。
在进行服役过程中，发现有少量连接螺栓断裂的现象。
本文通过断裂螺栓的断口、显微组织、显微硬度和微区成分进行了分析。
查找螺栓失效原因，制定改进措施，以防止同类失效再度发生。
2 螺栓的材料及技术条件螺栓型号为M22(GB1228-1984)，螺栓材料为20MnTiB钢，这是国标推荐的高强度螺栓用钢,在相同硬度下，与中碳合金钢比较，具有更加良好的韧性和可锻性，较好的强韧性，还可避免脱碳现象。
其化学成分如表1表1 螺栓化学成分（W B）C Mn Si P S Cu Cr TI B 样品0.22 1.38 0.99 0.006 0.023 0.15 0.07 0.07 0.0018该批螺栓所用钢材化学成分符合标准要求，P、S、Cu等残余元素也控制在合理范围之内。
加工螺栓用毛坯为热轧圆钢。
制造工艺流程如下：20MnTiB圆钢(盘条)酸洗拉拔冷镦成型搓丝热处理发黑包装入库其热处理工艺为880℃油淬，380～400℃中温回火，组织为回火屈氏体。
每批成品均抽样作静拉伸实验，力学性能达到GB1231-1984标准中10.9S的螺栓性能等级要求，σb为1040～1240MPa，σs≥940MPa，δ5≥10%，ψ≥42%，A k≥58.8N·m，维氏硬度为312～367HV30，洛氏硬度为33～39HRC。
3断裂螺栓失效分析3.1断口宏观形貌分析宏观下，断裂螺栓断口具有脆性特征，如图1。
断口面位于螺栓的第五个螺纹处。
断口可分为三个区域：裂纹源区、裂纹扩展区和最终瞬断区。
未观察到疲劳断裂特征。
裂纹源区位于螺纹根部,其放大形貌，如图2。
在裂纹源区可观察到一扁长形状的原始裂纹，长约 5.5mm，深约0.8mm，在其旁有一半月形的锈蚀区。
汽车螺纹紧固件几种失效案例分析
摘要：高强度紧固件在连接结构中的失效经常出现，失效的模式和原因各种各样，有设计、材料、制造、热处理、装配等多方面原因，本文针对几种汽车用螺纹紧固件的失效案例，从头部R 角、材料选用、延迟断裂、疲劳断裂等方面分析了失效的模式和原因，提出了改进的建议和方案，对紧固件的制造和装配有一定的指导意义。
关键词：螺纹紧固件疲劳延迟断裂松动中图分类号：TH131.3文献标识码：BDOI ：10.19710/ki.1003-8817.20180142汽车螺纹紧固件几种失效案例分析裕莉莉李海东郭学敏王吉洋井琦张薇（中国第一汽车集团有限公司研发总院，长春130011）作者简介：裕莉莉（1987—），女，工程师，硕士研究生，研究方向为连接技术与金属材料研究检验。
1前言高强度紧固件在连接中失效经常会遇到，失效的模式和原因各种各样，有设计、材料、制造、热处理、装配等多方面原因，多种问题可以归结为三大类：即设计、制造、使用。
目前，高强度紧固件企业在材料选择、加工制造、热处理方面等几个方面技术日臻完善，这类问题出现的概率大幅地减少。
一般整机行业对紧固件方面不重视，对安装扭矩、摩擦系数、扭矩系数及其分配比例知之甚少；这样，往往会在高强度紧固件安装使用中出现一些问题。
现主要针对几种典型的螺纹紧固件失效案例进行分析。
2失效案例分析2.1头部R 角失效某型车扭杆弹簧调整支架与车架连接螺栓断裂，螺栓的断裂位置均发生在头部R 角处，如图1所示。
对失效螺栓的断口进行分析可知，螺栓均为疲劳断裂，如图2所示。
该螺栓规格M14，10.9级，硬度检验结果为（34-36）HRC ，符合GB/T 3098.1-2010中的技术要求。
该螺栓可能是螺栓头部R 角处制造问题，（R 角过小导致应力集中），产生的局部应力集中造成图1失效螺栓形貌断裂处1#2#图2断口形貌（b ）2#螺栓（a ）1#螺栓疲劳断裂。
对于螺纹紧固件，在GB/T 3098.1-2010中明确规定，在拉伸试验时，螺栓的断裂位置，不应断裂在头部或头部与杆部交接处。
螺纹紧固件失效分析案例(第2部分)
5．金相组织分别对未断与断裂螺钉和螺母各1件纵向解剖进行金相观察。
图8为试样末浸蚀时的低倍形貌。
a 25×b 50×c 25×图8 螺钉纵剖金相磨面（a、b—螺钉，c—螺母）从图可以清楚地看到，螺钉在牙的侧面存在明显的裂纹，每个牙上裂纹的位置与形态完全一致，将裂纹放大后（图8b）可以明确判断，上述裂纹实际上是螺钉在搓丝过程中形成的折叠。
折叠处（图8b中的A处）的显微硬度为540HV，0.05明显要高于其他部位的渗碳层的硬度，此系A处两面渗碳的结果，这点同时也说明上述裂纹在热处理前业已存在。
另外，对一个断裂的螺钉解剖后发现，在过渡圆角处存在细微裂纹（图9），浸蚀后观察，该裂纹沿晶扩展（图10），这与断口源区扫描电镜下观察到的沿晶断裂特征（图3）完全吻合。
在裂纹周围也未发现非金属夹杂物聚集和沉淀相析出。
图9 断裂螺钉圆角处的裂纹50× 图10 图9裂纹浸蚀后的放大形貌500×螺母牙顶形成双峰（图8C），这也是搓丝工艺不当所形成的。
双峰鞍部形成的不规则尖缺口将对随后的热处理及使用均将产生不利影响。
图11为螺钉渗碳层的低倍形貌及渗层组织，渗碳层为回火屈氏体。
断裂与未断裂螺钉的芯部组织均为板条马氏体，未断螺钉的马氏体板条更粗大些（图12）。
25× 100×图11 螺钉渗碳层形貌及组织a断裂螺钉 b未断螺钉图12 螺钉的芯部组织500×图13为螺母的渗碳层组织，断裂与未断裂螺母的渗碳层组织相同，均系回火屈氏体。
断裂螺母与未断裂螺母的芯部组织则完全不同（图14）。
图13 螺母的渗碳层组织250×a 断裂螺母b 未断螺母图14 螺母的芯部组织 500×断裂螺母芯部组织为绌片状珠光体+铁素体，而未断者为板条马氏体。
这与表1中螺母测定的硬度值完全对应。
6.含氢量分析根据螺钉断口形貌特征及延时断裂特征，加之螺钉经酸洗后镀锌，怀疑有渗H2现象[1]。
螺纹紧固件失效分析案例(第3部分)
图7 2号螺栓中的裂纹 25×5号、2号螺栓的显微组织为保持马氏体位向的调质索氏体（见图8）。
在螺栓表面存在约0.03～0.04mm的贫碳区，该区的显微硬度与基体硬度无明显区别，对螺栓的质量并不构成威胁。
5号螺栓 2号螺栓图8 螺栓的显微组织500×另外须指出的是，在2号螺栓裂纹周围存在明显的脱碳层（图9），这是螺栓在热处理前就已存在裂纹的佐证。
图9 2号螺栓裂纹周边的脱碳层（白亮区） 250×六、结论1.螺栓的硬度，显微组织符合图纸及标准要求。
2.从螺栓断口上存在的海滩状花样，可以判断螺栓的断裂属于疲劳断裂。
5号螺栓表面存在的微细裂纹以及材料中存在粗大非金属夹杂物，是造成5号螺栓首先过早疲劳断裂的原因。
由于它的断裂，造成其余螺栓载荷增大，从而造成它们相继断裂。
6. M8×55高强度螺栓断裂原因分析某公司送检一个合闸拐臂圆头内六角紧固螺栓，螺栓在使用过程中发生断裂。
螺栓规格为M8×55-12.9，拧紧扭矩为95N·m。
一、检验1、 外观送检样为螺栓残骸中靠头部的一段（图1），螺栓未见变形，表面经发黑处理。
图1 断裂螺栓残骸2、 断口图2为螺栓断口的低倍形貌。
断口平直，断裂处位于螺纹牙底。
图2 断口低倍形貌断口大体上可分成三个区：Ⅰ区为裂纹源区，位于断口的外周边（牙底），周边存在众多的台阶花样，表明断裂起始位置的多源性；Ⅱ区为裂纹快速扩展区，该区的宏观特征为粗条带状的放射花样；Ⅲ区为最后断裂区，宏观特征为纤维状。
从最后断裂区（Ⅲ区）约占整个断口面积的1/3来推断，螺栓工作应力很高。
将断口在扫描电镜下高倍放大观察。
断裂源区的形貌如图3所示。
图3 断裂源区的微观形貌在断口的最边缘（源区）存在一个十分狭窄的平坦区，这和下面金相检测所观察到的牙底微裂纹区（图7）相对应。
此外，在断口边缘的牙底处可看到明显的条状裂纹（图中箭头所指）。
紧邻源区则是以沿晶断裂为主的脆性断裂区（Ⅱ区），微观形貌特征为沿晶断裂＋部分准解理断裂＋大量二次裂纹（图4）。
风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析_张君
张 君等：风力发电机塔筒紧固用高强螺栓断裂失效分析
图 ４ 螺 栓 心 部 显 微 组 织 Ｆｉｇ．４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｂｏｌｔ ｃｅｎｔｅｒ
０．００８
０．００５
０．９６５
０．１５８
０．０１４
０．００３
螺栓心部
０．３６９
０．２５１
０．５４２
０．００８
０．００４
０．９３９
０．１５５
０．０１３
０．００２
标准值 ０．３２～０．４０ ０．１７～０．３７ ０．４０～０．７０ ≤０．０３５
≤０．０３５ ０．８０～１．１０ ０．１５～０．２５ ≤０．０３０
２ 综 合 分 析
螺栓机械加工 完 毕 后，要 进 行 淬 火 和 高 温 回 火 处理，并期得到理 想 的 回 火 索 氏 体 组 织。 然 而 化 学 成 分 分 析 结 果 显 示，螺 栓 表 面 的 碳 含 量 仅 为 ０．００９％ ，远 远 低 于 标 准 值 （０．３２％ ～０．４０％ ）和 心 部 的碳含量 ０．３６９％。 由 金 相 检 验 结 果 也 可 知，螺 栓 心部显微组织为细 小 的 回 火 索 氏 体，螺 栓 表 层 则 为 铁 素 体 ；说 明 螺 纹 表 面 发 生 了 全 脱 碳 ，且 脱 碳 层 深 度 较大。显微硬度测 试 结 果 显 示，螺 栓 表 面 硬 度 约 为 １３０ ＨＶ，心部 硬 度 约 为 ３７０ ＨＶ，进 一 步 证 明 螺 栓 表面发生了严重 的 脱 碳。 该 螺 栓 经 过 了 淬 火、高 温 回 火 处 理 ，在 淬 火 加 热 保 温 过 程 中 ，热 处 理 炉 内 碳 浓 度 过 低 ，导 致 零 件 表 面 脱 碳 ，待 整 个 试 样 完 全 奥 氏 体 化 后 ，表 面 形 成 了 超 低 碳 的 奥 氏 体 ，在 淬 火 冷 却 过 程 中 ，螺 栓 心 部 转 变 为 马 氏 体 ，而 螺 栓 表 面 则 转 变 为 铁 素体。在随后的高 温 回 火 过 程 中，马 氏 体 中 析 出 弥 散 细 小 的 碳 化 物 ，螺 栓 心 部 组 织 转 变 为 回 火 索 氏 体 ， 具有良 好 的 综 合 力 学 性 能，而 螺 栓 表 面 仍 然 为 铁 素 体［３－４］。 一 般 来 说 ，螺 栓 螺 纹 根 部 是 应 力 集 中 部 位 ，该 螺 栓表面脱碳，导致了 螺 纹 表 面 硬 度 和 强 度 的 大 大 降 低 。 另 外 螺 栓 在 安 装 时 ，预 紧 力 不 均 匀 ，导 致 受 力 较 大的螺栓在服役过程中风力和风叶转动产生的循环 冲击载荷作用下，于 螺 纹 根 部 出 现 裂 纹 并 疲 劳 扩 展 直至断裂 。 ［５］
螺纹紧固件失效分析案例(第2部分)
5．金相组织分别对未断与断裂螺钉和螺母各1件纵向解剖进行金相观察。
图8为试样末浸蚀时的低倍形貌。
a 25×b 50×c 25×图8 螺钉纵剖金相磨面（a、b—螺钉，c—螺母）从图可以清楚地看到，螺钉在牙的侧面存在明显的裂纹，每个牙上裂纹的位置与形态完全一致，将裂纹放大后（图8b）可以明确判断，上述裂纹实际上是螺钉在搓丝过程中形成的折叠。
折叠处（图8b中的A处）的显微硬度为540HV，0.05明显要高于其他部位的渗碳层的硬度，此系A处两面渗碳的结果，这点同时也说明上述裂纹在热处理前业已存在。
另外，对一个断裂的螺钉解剖后发现，在过渡圆角处存在细微裂纹（图9），浸蚀后观察，该裂纹沿晶扩展（图10），这与断口源区扫描电镜下观察到的沿晶断裂特征（图3）完全吻合。
在裂纹周围也未发现非金属夹杂物聚集和沉淀相析出。
图9 断裂螺钉圆角处的裂纹50× 图10 图9裂纹浸蚀后的放大形貌500×螺母牙顶形成双峰（图8C），这也是搓丝工艺不当所形成的。
双峰鞍部形成的不规则尖缺口将对随后的热处理及使用均将产生不利影响。
图11为螺钉渗碳层的低倍形貌及渗层组织，渗碳层为回火屈氏体。
断裂与未断裂螺钉的芯部组织均为板条马氏体，未断螺钉的马氏体板条更粗大些（图12）。
25× 100×图11 螺钉渗碳层形貌及组织a断裂螺钉 b未断螺钉图12 螺钉的芯部组织500×图13为螺母的渗碳层组织，断裂与未断裂螺母的渗碳层组织相同，均系回火屈氏体。
断裂螺母与未断裂螺母的芯部组织则完全不同（图14）。
图13 螺母的渗碳层组织250×a 断裂螺母b 未断螺母图14 螺母的芯部组织 500×断裂螺母芯部组织为绌片状珠光体+铁素体，而未断者为板条马氏体。
这与表1中螺母测定的硬度值完全对应。
6.含氢量分析根据螺钉断口形貌特征及延时断裂特征，加之螺钉经酸洗后镀锌，怀疑有渗H2现象[1]。
高强螺纹紧固件的失效模式_机理分析和设计原则
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纹小径锥度效应。大多数钻孔通常会有某种程度的 锥度， 正常情况下从孔口向孔内延伸半个直径长度。 造成这一锥度的原因是钻头的扭转挠性、横向挠性
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设计原则
在载荷一定的条件下，螺栓断裂的趋向肯定会
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肖伟群： 高强螺纹紧固件的失效模式、 机理分析和设计原则
随应力截面积的增大或材料等级的提高而降低。如 果这些参数（ 载荷、 尺寸和螺栓等级） 给定， 加长螺母 则增大圆柱剪切面积， 从而降低螺纹脱扣。 也可增大 螺母壁厚以降低螺母膨胀的趋势，还可以选用更高 等级的螺母。 螺纹紧固件设计的第一步是螺栓的选择 （ 尺寸、 等级和其他几何特性等） 。()* + ,-!（ 国际标准化组织 紧固件技术委员会）形成了一套螺纹联接副载荷及失 效形式的分析、计算和试验方法，如 ()*.&./! （ 01
# $!"。
拧紧螺栓时， 螺杆部 分由于拉伸应变而承受
图2 螺栓螺纹断裂部位 图4
剪切应力 N 拉伸强度
拉扭复合应力作用曲线
螺纹紧固件失效分析案例(第5部分)
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）。
螺纹紧固件失效分析案例(第5部分)
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）。
螺纹紧固件失效分析案例(第4部分)
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
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。
超高强度螺栓断裂失效分析
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。
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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。
3．疲劳断裂的特征：宏观：裂纹源—→扩展区—→瞬断区。
裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区域是产生裂纹源的前提条件。
疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝纹线。
瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域，断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性条纹并具有剪切唇区。
微观：疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。
一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶体学上的名称，在微观显象上出现的小平面），以及韧窝等微观区域特征。
4．疲劳断裂的特征：（1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。
（2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时屈服强度的应力负荷。
（3）疲劳破坏后，一般能够在断口处能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后这前三种疲劳，往往二种或二种以上交错进行或出现。
前三种类型一般在机械运动中经常出现，是疲劳损坏的主要形式。
断裂的三个区域的组成部分。
二．疲劳断裂实例分析：实例．在辽宁某海边风场发现一根双头螺柱断裂。
服役状况：双头螺柱规格：M30×2×475；头标号：1L200444；生产日期：2007年10月；安装日期：2008年6月。
在2010年6月，风机进行检修并重新安装，于2011年1月初发现有一个双头螺栓断裂。
由于螺杆断裂产生有一段时间（几天），发现后再取下螺柱，宏观断口形态出现部分损坏和生锈情况，但从断口处依然可见疲劳引起断裂的一些信息。
（见图一）图一．双头螺柱断口1．断口形状宏观现象：（1）断口的下方左右二侧有凹凸不规则状形态出现，左侧有弧线凸状缺口；右侧的沿表面有锯齿状多个微小缺口存在；最下端弧面形成锋利的刀口状态。
（2）在广大的中间区（扩展区），许多条贝纹状线条清晰可见。
（3）在初始区与广大的贝纹区的断面出现锈迹。
（4）在瞬时断裂区有明显的剪切唇口，而且剪切唇区的组织细腻；并且这个区域的断面光滑明亮，没有出现锈迹（说明瞬断时间不长）。
（5）在断裂螺栓的下方区域，螺杆光滑明亮，磨擦痕迹十分明显，是经过反复摩擦而形成的光滑的弧面。
（见图一、图二）（6）断口处的杆径尺寸变化不明显。
（见图二）图二．断裂的双头螺栓宏观现象分析：（1）裂纹源产生在下侧，下边光滑切口及左右锯齿形、弧形缺口，是产生裂纹的源头。
（2）断裂试样断口中，裂纹的扩展区域，贝纹线清晰，下段（初期）贝纹线间隙距离比较小，在切向应力反复作用下缓慢扩展，上段区域贝纹线间距扩大，反映裂纹扩展速度在加快（见图一）。
（3）在瞬时断裂区域（见图一），形成光滑明亮的剪切唇区，剪切唇宽大明显，显示出延性断口的特征，说明螺栓的强韧性配合比较好。
（4）侧向光滑，螺柱的侧面经过反复的侧向应力，不断来回摆动，和孔壁反复地摩擦，形成光滑弧面。
宏观分析结论：从断口来看，是比较典型的由弯曲产生的疲劳断裂，并且从瞬断区，显示出延性断口的性状。
2．微观分析为了进一步查明疲劳断裂的原因，又进一步做了微观分析，经过电子显微镜的观察，了解了产品不同视野的内部组织的状况（见图三、图四、图五、图六）。
图三．疲劳辉纹+韧窝图四．疲劳辉纹图五．疲劳辉纹+韧窝+准解理图六．韧窝以上电镜图片由机械工业紧固件产品质量检测中心（上海）提供，报告编号：JWT110165。
微观断口失效分析：（1）从扫描电镜进行观察，断口的裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹，这是疲劳断裂的微观形态主要的特征，与宏观的贝纹线遥相呼应。
图三、图四、图五的三个电镜照片中的白色线条清晰可见疲劳辉纹。
（2）从扫描电镜图三、图六中的二张照片中，明显地可见多处韧窝的存在；这是扫描电镜照片中，反映产品强度与韧性配合比较恰当的微观显像，与宏观照片中的瞬时断裂区有较大的剪切唇区相互对应，说明双头螺栓的强度与塑性配合比较理想。
（3）电镜图片没有出现解理图象，只有图五中，在部分区域才呈现准解理现象；而且准解理与韧窝，在同一图片中同时交错出现。
也表明了紧固件的脆性现象不明显，强度与韧性配合比较良好。
3．实验分析结论：螺杆表面有车刀切削痕迹，粗糙度比较大，在反复承受切向弯曲应力后，双头螺栓一侧车削痕迹，经过摩擦，磨成光滑弧面；反映出双头螺栓经受了反复的弯曲、碰撞、摩擦，在地接经受来回摆动的过程中，长期的高频次的弯曲疲劳，在表面比较粗糙的地方，首先打破缺口，形成了裂纹源，然后随反复弯曲形成切向应力，裂纹逐步扩展，直至疲劳断裂。
从以上宏观显像图片与微观分析遥相呼应，可以得出结论：,双头螺栓在反复承弯曲中产生疲劳；在弯曲疲劳产生累积效应，至直突发疲劳断裂(见图一的下方)。
三．分析弯曲疲劳断裂产生的原因：疲劳的产生,扩展到断裂,原因多种多样，有设计、材料、制造、热处理、安装等各种原因，为了查明具体的原因，我们将有关检测与现场情况进行分析：１．经过断裂螺栓的硬度分析检测：硬度为HRC 35，符合国家10.9级螺栓的要求。
（上海紧固件研究所测量）2．这批1L200444的双头螺栓，在完成制造后，于2007年11月26日经过SGS 公司检测，抗拉强度，屈服强度全部在10.9级中间值的范围；延伸率，断面收缩率不但全部达到性能要求，而且数值均比较理想，五个样品数值的离散度比较小；各项指标数值，显示出强度与韧性指标配合得比较恰当、比较理想，产品性能达到技术标准。
（见下表一）表一．双头螺栓机械性能检测报告3．各项检测数值的综合分析：（1）SGS公司：检测报告中检测中抗拉强度、屈服强度全部达到10.9级螺栓的技术要求；（2）上海紧固件研究所：检测断裂螺栓的硬度为HRC 35，是10.9级螺栓技术要求的中间数值，与强度数值匹配；（3）检测与显像：延伸率，断面收缩率数值均比较理想，与宏观的瞬时断裂区宽大的剪切唇、微观区域的韧窝互相呼应；说明产品的强韧性配合得比较理想；各项检测的数值与断裂的宏观图像相吻合。
综合分析结论：以上数据说明，无论是出货产品检验，还是断裂后的产品检验，双头螺栓制造质量没有问题；双头螺栓的是属于弯曲疲劳断裂。
4．安装实地考察及拍摄断裂场景：为了更清楚了解双头螺栓断裂现状，我们先后二次，从风机安装现场进行考察与实地调研、了解；对双头螺栓使用（初次安装时间及检修）、安装（方向、位置）、断裂（断口实际状况及具体部位）广泛地进行观察。
在风机现场，三十多台1.5兆瓦的风能发电机运转了三年多中，只出现一根双头螺柱产生断裂的状况。
断裂现象是属于个例；断裂螺柱的一侧无间隙，紧紧地贴在齿轮孔的一端；另一侧却有较大的缝隙，这是由于安装时没有准确的定位，形成螺柱偏离中心位置。
双头螺柱会随风产生弯曲及来回摆动，产生了隐患。
（见图七）。
空隙无间隙（摩擦）图七．双头螺柱断裂现状为了更好地反映断裂的状况，我们从齿轮反面，又拍摄了断裂螺栓的状况。
在紧贴齿轮孔的一侧，双头螺柱与齿轮孔,卡得十分紧密，产生了螺栓的一侧紧贴齿轮孔现象，没有任何缝隙；而另一端同样产生了较大的间隙（见图八）。
在无缝隙的一侧，我们用螺丝批，小刀都无法插入，这说明切向应力是非常巨大。
这样，给拆卸带来极大的难度，拆卸工作耗费了极其大的精力。
在巨大的垂直于轴向应力作用下，在风机不停的运转过程中，双头螺柱紧贴齿轮孔弧面的一侧，经受了对齿孔壁的来回反复地弯曲撞击，经过较长时期撞击和摩擦，螺柱的一侧显得光滑明亮，磨擦痕迹十分明显，完全消除了车削加工痕迹；光滑的侧面，类似磨床加工形成的镜面（见图一）。
风力发电机以每分钟17转速度旋转，每天15小时计算，一天转动1.53万周。
半年期间运转达到2.8×106周，而且应力幅很小，在4mm 间来回的摆动，应力水平相对较低；弯曲疲劳的循环次数远高于510周（按照半年计算，来回的摆动2.8×106周,；按照三年半计算，来回的摆动2.0×107周，）；这根双头螺柱的断裂，是长期来承受侧向应力，弯曲疲劳形成的；符合低应力、高循环次数的高周疲劳规律。
是弯曲疲劳产生断裂的典型例子。
图八．双头螺栓断裂照（反面拍摄）5.综合分析判断头标为1L200444的双头螺栓于2007年10月生产，2007年11月经过SGS 的检测，各项指标均达到标准要求，而且数值配合比较理想，（见上表一）；风电场于2008年六月进行安装并且发电；经过二年运行，运转的情况正常；在2010年7月进行检修，并重新进行安装，在安装中，由于位置偏离，使双头螺柱一侧紧靠齿轮孔的一侧，又经过半年运转，螺栓承受反复的很大的切向应力，产生弯曲疲劳，在不断地反复弯曲的过程中，产生疲劳累积效应，于2011年一月初发现了一个双头螺栓产生断裂。