紧固件失效原因分析方法

紧固件失效原因很多，由于设计不当、材质不良、制造和装配不佳、使用和维护不当以及环境因素的影响等都会使零件失效。如何找到失效原因，这就必须掌握紧固件的失效分析方法。

紧固件的失效原因是多方面的，有的失效原因在某一过程起主要作用，有的起次要作用，必须在分析中找出起主要作用的原因，重点是对失效零件断口和使用受力状态进行分析，找出典型特征和相关因素，并进行验证，证明在失效过程中起作用的主要因素，最后确定造成失效的原因。

紧固件的失效分析方法，归纳起来有如下几个方面：

(1) 外观与断口分析

通过对失效件的外观检查，找出典型失效特征，并初步判断引起失效的一系列因素和主要因素。通过宏观和微观断口检查分析，初步判断属于何种失效类型。

(2) 失效原因分析

失效分析时单纯从用材、加工、使用之中某一方面寻找原因是不够的，应多方面着手，尽可能详细调查失效件的设计、材质、制造、使用和装配受力等情况。

(3) 受力原因分析

紧固件的失效首先考虑所受应力情况，从紧固件的设计应力和实际装配应力、服役受到的拉伸应力、拉-拉交变应力等诸方面进行分析、特别要分析设计使用应力和实际服役应力是否一致，装配预紧力是否合适和过大，现场装配是否采用限力搬手及限力搬手是否超标，未采用限力搬手装配时可模拟装配情况估计装配应力并找出装配应力与设计应力的差别。

螺栓装配后受到拉应力、扭转应力作用，使用过程中可能还会受剪切应力、振动、交变应力等。失效分析需要对装配过程和使用过程的安装力、使用扭转应力、拉应力、有否交变应力等进行逐一分析包括应力类型、幅值大小和各种应力复合作用作全面分析，找出导致紧固件失效的主导应力机理。

(4) 断口显微特征分析

紧固件断口主要有塑性断口（包括扭断断口）、脆性断口、疲劳断口、氢脆断口，根据断口特征进行分析。

A. 塑性扭断断口分析

考虑设计强度是否偏低，不能满足装配和使用应力的要求；材料强度级别选用是否合适以及原材料各项性能指标是否合格，使紧固件性能指标降低。热处理淬火是否温度偏低时间偏短、回火温度是否过高，造成紧固件性能降低。综合分析造成在装配和使用中发生韧性断裂和扭转断裂的主要原因。设计强度偏低、材料选用强度等级偏低、原材料冶金缺陷等级超标和表面质量不合格、热处理淬火温度低时间短和/或回火温度过高造成零件强度偏低等等，是最常见的强度偏低不能满足装配和使用应力的要求、造成塑性过载断裂或塑性扭转断裂的几种失效情况。

B. 脆性断口分析

考虑淬火温度是否过高造成组织粗大，回火温度是否过低造成回火不足，回火操作是否不当造成回火脆性，材料是否用错造成的热处理工艺不当，从这些原因中找出引起脆性断裂的主要原因。在排除有关设计和选材失误的情况后，淬火温度过高保温时间过长和/或回火操作不当（温度偏低、时间不足造成组织转变不完全应力释放不彻底即回火不足，回火冷却不当造成回火脆性），等等，是最常见脆性断裂的原因。

C. 疲劳断口分析

疲劳断裂是一种危险的失效方式，最终断裂在瞬时发生，对于重要构件可能造成设备和人员损失。疲劳断裂是由裂纹的形核萌生、扩展及最终瞬时断裂三个过程组成。因此，对疲劳断裂螺栓，要根据断裂部位和断口特征进行仔细分析，找出疲劳断裂的原因。

螺栓头杆处疲劳断裂原因可能有：A所列各项原因造成紧固件强度偏低；镦制头部流线不好造成头部强度偏低；螺栓头下圆角未滚压使圆角处表面强度偏低。螺栓杆部或螺纹处疲劳断裂原因可能有：选材强度等级偏低、尺寸超差、螺纹折叠、螺纹上台等。

D. 氢脆断口分析

氢脆断裂是脆性断裂的一种，特别是某些高合金材料制作的紧固件具有氢脆敏感性。发生氢脆断裂原因可能是经过电镀、镀锌等等表面处理和/表面处理后未除氢或除氢不彻底。通过微观断口特征分析，找出氢脆断口和一般脆性断口的区别，进行氢含量检测，进一步判断氢脆开裂或“氢致迟滞断裂”。

(5) 综合原因分析方法

A. 断裂源分析：裂纹形核源处可能是表面脱碳氧化、杂夹、折叠等材料缺陷；也可能是刀痕、镦锻缺陷、损伤、裂纹、折叠等加工缺陷。

B. 根据紧固件制作流程，分析设计、材料选用、加工工艺等各个工序中引起失效的环节。

根据断口特征分析，在设计、材料、冷热加工工艺、装配和服役应力大小等因素中找出引起失效的主要原因。

C. 对故障件和同批产品的性能、组织、成分等进行对比检查，确定是产品个案还是批次产品问题，进一步分析主导失效原因。

D. 对紧固件的热处理工艺包括温度时间气氛等是否达到工艺要求，如不锈钢高温合金紧固件固溶处理或淬火加热过程中是否采用保护气体，保护气体的纯度流量是否达到工艺要求，结构钢紧固件调质组织是否为回火索氏体，显微组织是否粗大，组织转变是否充分，等等各方面进行检查分析。

紧固件的热处理加工对于产品质量水平有特殊重要意义，因此，失效分析对热处理工序检查要深入详细，包括：温度、时间等工艺参数；不锈钢、高温合金紧固件固溶处理或淬火加热过程的保护气氛纯度、流量等工艺参数；结构钢紧固件回火温度、时间等工艺参数。考察热处理工艺，除检查设备和工艺外，还要进行产品金相显微组织分析，确定热处理工艺达到合格的晶粒度和金相组织。