古曉峰

摘 要：隨著高強(qiáng)螺栓工作應(yīng)力的增加及其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對高強(qiáng)螺栓鋼材的性能提出了更高的要求：既要滿足螺栓的高強(qiáng)度性能，又要確保工作的可靠性，但高強(qiáng)螺栓的失效情況也不斷出現(xiàn)。本文主要對高強(qiáng)螺栓的失效情況進(jìn)行分析，以期能為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)螺栓；失效；分析

中圖分類號：G622 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號：1002-7661（2016）12-232-01

失效分析是一門新興發(fā)展中的學(xué)科，在提高產(chǎn)品質(zhì)量，技術(shù)開發(fā)、改進(jìn)，產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

一、失效分析定義

一個(gè)零件或部件不能履行設(shè)計(jì)賦予它規(guī)定的功能，稱該零件或部件失效。它包括以下三個(gè)內(nèi)容：（1）完全不能工作；（2）可以工作，但不能令人滿意地完成預(yù)期的功能；（3）受到嚴(yán)重?fù)p傷不能可靠而安全地連續(xù)使用，必須拆下來進(jìn)行修理或更換。應(yīng)注意把失效與廢品區(qū)別開來，前者是在使用過程中出現(xiàn)的，后者是在生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的。另外，失效又分為正常失效和非正常失效，達(dá)到設(shè)計(jì)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(jìn)行宏觀分析，初步確定斷裂類型；若為脆斷，則進(jìn)行成分分析，鑒定材料是否存在成分偷工減料；若無，則進(jìn)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(shí)際工況要求的組織；后者通過斷口的形貌進(jìn)一步鑒定斷裂失效類型。最后對材料進(jìn)行性能測試，看是否到達(dá)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(yù)防措施。

三、失效的來源

失效的來源主要有以下方面：設(shè)計(jì)、選材、材料缺陷、制造工藝、貯存、運(yùn)輸、裝配等。

螺栓失效的斷口分析，斷裂是機(jī)器零件失效最嚴(yán)重的表現(xiàn)形式之一，對斷裂的研究已發(fā)展成一門獨(dú)立的邊緣學(xué)科，涉及到斷裂力學(xué)、斷裂物理、斷裂化學(xué)和斷口學(xué)等多個(gè)分支。

斷裂后產(chǎn)生的斷口存儲(chǔ)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(tài)分析去研究一些斷裂的基本問題：如斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機(jī)制、斷裂韌性、斷裂過程的應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋擴(kuò)展速率等。

四、失效形式分析

1、材質(zhì)缺陷。

在安裝初期，只按照標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)、加工工藝和熱處理等，但螺栓的材質(zhì)、加工工藝和熱處理狀態(tài)正是影響其力學(xué)性能、質(zhì)量的重要因素。因此在質(zhì)量管理中出現(xiàn)的材質(zhì)缺陷是螺栓出現(xiàn)失效的重要因素之一。在安裝過程中，由于預(yù)緊力過大等原因，螺栓材料易發(fā)生斷裂，在機(jī)組的長期運(yùn)行過程中，由于高應(yīng)力的作用，螺栓材料容易產(chǎn)生疲勞斷裂，為確保安全運(yùn)行，加強(qiáng)對重要部位螺栓的安全管理、全面檢驗(yàn)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(fā)生突然瞬間的斷裂，這種失效預(yù)先并無明顯征兆，所以其危害嚴(yán)重。

過載失效的特征：高強(qiáng)度螺栓的使用極為廣泛，螺栓上的螺紋實(shí)際上就同缺口一樣，應(yīng)力集中系數(shù)較高。當(dāng)其與螺母配合時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)一步提高。通過壓縮螺母傳遞載荷的螺栓，應(yīng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，頭部和桿部交接處的應(yīng)力也較集中。因此，螺栓的過載失效而導(dǎo)致其斷裂多在這兩個(gè)部位產(chǎn)生。

3、高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力腐蝕。

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

（2）必須有對材質(zhì)敏感的腐蝕介質(zhì)存在。當(dāng)應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)形成一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，材料才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的缺陷。

4、疲勞性能失效。

影響高強(qiáng)度螺栓疲勞性能的因素：（1）螺帽結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)零件的破壞中占絕大多數(shù)，疲勞斷口大體上可分成三個(gè)區(qū)：（1）裂紋源區(qū)：一個(gè)光滑、細(xì)膩的細(xì)小區(qū)域，由于受交變應(yīng)力的作用，裂紋兩側(cè)，因反復(fù)擠壓而變得平坦、光滑。（2）裂紋擴(kuò)展區(qū)：該區(qū)的最大特點(diǎn)是有疲勞弧線。這是裂紋擴(kuò)展中的停頓或應(yīng)力大小變化時(shí)，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(kuò)展區(qū)：疲勞裂紋擴(kuò)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(chǎn)生瞬時(shí)破斷。該區(qū)的特征是放射條帶。

螺栓疲勞斷裂的原因是輪轂螺栓松動(dòng)，導(dǎo)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(dòng)的原因可能是裝配力矩控制不當(dāng)導(dǎo)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(yīng)力腐蝕、氫脆和疲勞。應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生需要拉應(yīng)力、特定腐蝕介質(zhì)，發(fā)生的溫度從室溫到300℃，是陽極反應(yīng)，裂紋從表面開始，斷口不平整，多數(shù)為沿晶特征，裂紋萌生處可能有腐蝕產(chǎn)物；氫脆的發(fā)生需要拉應(yīng)力，發(fā)生的溫度從-100℃到100℃，是陰極反應(yīng)，斷口較平整、裂紋幾乎不分叉，多數(shù)為沿晶，斷口晶界面上沒有腐蝕產(chǎn)物。但有時(shí)氫脆與應(yīng)力腐蝕往往同時(shí)發(fā)生，這時(shí)判別就非常困難，因?yàn)閼?yīng)力腐蝕的過程中，陽極產(chǎn)生的氫可以進(jìn)入金屬的內(nèi)部，此時(shí)就可能產(chǎn)生氫脆和應(yīng)力腐蝕的共同作用。一般來說，在使用過程中由于環(huán)境或應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的氫脆可看作廣義上的應(yīng)力腐蝕破壞。疲勞斷裂主要是在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的脆性斷裂，疲勞源的形成和產(chǎn)生對疲勞斷裂有重大的影響，特別是對強(qiáng)度級別較高的材料來說，因此表面質(zhì)量對承受交變載荷的高強(qiáng)度螺栓至關(guān)重要。

國內(nèi)外有關(guān)高強(qiáng)度螺栓的試驗(yàn)和理論研究很多，且取得了十分豐富的成果，但對于高強(qiáng)螺栓的斷裂機(jī)理尚需進(jìn)一步研究，以便為定量評價(jià)高強(qiáng)螺栓的抗脆斷性提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[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.