螺栓失效形式分析
Bolt Failure Mode Analysis
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对于紧固件常见的失效模式分为淬火开裂、过载断裂、扭转剪切断裂、横向剪切断裂、疲劳断裂、氢脆断裂、腐蚀破坏、蠕变失效及滑牙失效。
螺栓进入调质处理制程，首先需要进行淬火处理，由于工艺不当，采用水淬或淬火油水分都会产生淬火裂纹。
出现淬火裂纹一般与结构设计不合理，如头下R角太小、材料选择不当或材料缺陷、预热处理方式、淬火加热温度和速度、淬火冷却速度、回火方式等。
通常淬火裂纹发生在头部棱角，杆部纵向，杆部横向螺纹牙底等位置，上图所示的纵向淬火裂纹。淬火开裂分组织应力和热应力产生的；组织应力是内压外拉，切向力大于轴向力；而热应力是内拉外压，轴向力大于切向力。
螺栓装配及使用过程，发生的瞬时断裂的现象，其超出螺栓承受能力发生螺栓失效的现象。
根据过载断裂形式分为韧性过载断裂与脆性过载断裂；
根据装配所受摩擦特性的不同分为低摩擦拉伸断裂与高摩擦扭转断裂。
发生韧性断裂最显著的特征是在断裂处出现明显的缩颈现象，类似杯锥状，装配过程出现一般为摩擦系数过低或硬度过低。
对于韧性断口一般表现为：
发生脆性断裂最显著的特征是在断裂处没有明显的塑性特征，与一般的脆性断裂类似，装配过程出现一般摩擦系数较高或硬度较高。
对于断口一般表现为：
当螺栓拧入螺纹孔有异物阻塞或漏装被连接件等一些情况，阻止螺纹运动，造成扭转剪切受力。发生断裂位置与正常过载断裂位置一致，应力集中点易发生断裂。
对于高强度螺栓断口一般表现为：
当螺栓承受较大的横向载荷，如果螺栓选用不当或螺栓未打紧等，在外载的作用致使被连接件产生滑移，在滑移位置形成剪切断口 。
对于高强度螺栓断口一般表现为：
疲劳断裂是在交变应力作用下造成的，紧固件通常发生疲劳断裂的位置，一般集中在头下R角处，螺纹与螺杆交汇处，螺纹啮合的第一颗牙纹处。
对于断口样貌包括疲劳源区，扩展区和瞬断区判别方法：
氢脆断裂失效是在实际应力远低于材料抗拉强度的条件下，经过使用一段时间后仍会发生的零件实然破断失效。
氢脆宏观断口有一般可见的放射棱线、无宏观的塑性变形、断口齐平、结构粗糙、色泽灰亮；氢脆断裂微观形貌主要为沿晶断裂，晶粒表面存在撕裂棱（爪状纹 ）；有的氢脆断口为准解理．紧固件的强度与硬度越高，氢脆的倾向越大。
一般认为，当硬度小于HRC35时，氢脆倾向明显减小，在严重氢脆环境下，须小于22HRC。
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。
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。
断面不同区域呈现出随应力强度因子K的变化而导致的不同微观特征，有沿晶→准解理→韧窝:
表面增碳导致硬度超限，且基体硬度较高（表面495HV0.3）；
圆角过渡不流畅，加剧了应力集中；
渗磷层导致了表面脆性，增加了缺陷产生的风险；
氢含量约1.2ppm。
某规格10.9级风电螺栓在安装完成后部分螺栓发生断裂，螺栓表面可见白锈痕迹，断裂位于头杆过渡部位。
表面增碳导致硬度偏高；
热处理导致的组织不均匀对氢致破坏存在促进作用；
阴极消耗型保护性涂层发生破坏并腐蚀时会形成原电池产生氢，这些氢将被基体吸收，进一步促进氢致破坏。
螺栓在高温环境并且受拉应力作用，发生缓慢的塑性变形现象，称为螺栓的蠕变。蠕变导致螺栓的轴向力变小，当不能抵抗外载能力，即发生蠕变断裂。
对于蠕变断口一般表现为：
出现滑牙一般为轴向力过大，啮合长度不够，螺栓，螺母尺寸不合格，螺纹强度不够造成的。
应力腐蚀是指材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下发生的脆性断裂现象，没有明显的塑性变形痕迹
某动车组夹钳紧固螺栓在服役过程中发生断裂失效，螺栓规格为M16×120，性能等级为12.9级
螺栓表面存在明显的腐蚀痕迹：
断面存在明显的平坦区域和瞬断区，平坦区域可见明显的放射痕迹，并收敛于断口边缘螺纹牙底部位，断口发生不同程度锈蚀，表面覆盖一层腐蚀产物。
裂纹源区可见腐蚀产物堆积，能谱分析存在S，Cl等腐蚀性元素。
紧固件疲劳破坏的应力往往远低于其静载荷下的强度极限，属于脆性断裂，是紧固件最常见、危害最大的失效形式；
紧固件特有的螺纹结构是产生疲劳的“先天因素”；
紧固件在其服役过程中不可避免会承受交变载荷作用；
疲劳失效最常见的位置：螺母垫圈面对应的螺纹处、螺纹与螺杆过渡处，或螺栓头和螺杆圆角过渡处。
最终断裂区面积的大小取决于载荷的大小、材料的性质、环境介质等因素。
疲劳源区及扩展方向判断：断口表面的光泽、粗糙度、棱边 、疲劳台阶的起源位置、疲劳弧线的密度与弧心方向
