螺栓断裂的原因分析(螺栓断裂的主要原因)

导语：「螺栓断裂」有这5类情况，下面是原因分析

螺栓断裂主要分为5类，即韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、延迟断裂、高温断裂；本文主要介绍一下螺栓断裂的原因是什么；

一、韧性断裂；

除高强度螺栓之外，韧性断裂往往伴随着较大的塑性变形；

螺栓断裂过程与使用拉伸试验机对钢材进行拉伸试验产生的断裂情况相同；

断裂过程如下：

(a)形成凹陷，

(b)产生微小的空洞，

(c)由于空洞合并形成裂缝，

(d)剪切变形引起的裂纹扩展，

(e)断裂；

当较大的拧紧力矩施加在强度较低的螺钉上时，当螺钉受到较大的外力作用时，往往会产生韧性断裂；因此，如果设计和制程合理，一般很少会发生韧性断裂；

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二、脆性断裂；

施加冲击载荷时，螺钉会发生脆性断裂；尤其是高强度螺钉，当材料中存在偏析、或混入异物等缺陷、或热处理不当、或低碳钢螺栓的结晶粒度较大时，螺栓易发生脆性断裂；

脆性断裂的特点：将分离的断面彼此紧密接触，甚至可以将断裂的螺栓恢复到原来的形状；

在脆性断裂中，金属以极小的塑性变形分离，脆性断裂的断裂面较为平坦，一般在裂纹附近可能存在细小且复杂的裂纹；

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三、疲劳断裂；

1.当拧紧的螺栓反复承载外部波动载荷（尤其拉伸载荷）时，易发生疲劳断裂；所谓疲劳破坏，即使波动载荷的大小远低于材料的抗拉强度，也会对材料造成破坏；

2.如下图为螺栓拧紧曲线，纵轴表示螺栓轴向力，横轴表示螺栓的伸长量及被紧固件的压缩量；

3.再如下图为螺栓拉伸力和螺栓伸长量的关系线（拉伸弹簧常数Kt）和被紧固件夹紧力和被紧固件压缩量的关系线（压缩弹簧常数Kc），在螺栓初始轴向力上相交于一点（表示螺栓的拉伸力和被紧固件的夹紧力处于平衡状态）；

显然，当外部振动载荷W2施加在被紧固件上时，一部分外力对螺栓的轴向力具有增加作用，一部分外力对被紧固件的压缩力具有减少作用；

4.最常见的疲劳断裂位置是螺栓与螺母啮合的第1个螺牙的牙底处，其应力分布见下图；

疲劳断裂的特点是不存在较大的塑性变形，而且初期的裂纹大多产生于应力集中点，当载荷反复施加时，裂纹才会逐渐扩展最终断裂；

5.如下图，疲劳断裂常见位置及发生频率；

当螺栓/螺母在轴向存在重复外力作用的环境中使用时，即使施加了合适的拧紧力矩且设计是安全的，螺栓/螺母也会由于各种因素松动，最终导致疲劳断裂；实际上，螺栓和螺母的松动是螺栓疲劳失效的主要原因；

因此，防止螺母松动对于防止螺栓疲劳失效是必不可少的，尤其是存在机械振动的场合；螺母的一些防松措施，后面会单独整理文章介绍；

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四、延迟断裂；

在施加一定的拉伸载荷情况下，经过一段时间后，外观上几乎没有塑性变形，突然发生脆性断裂的现象，即为延迟断裂；

如下图，最容易出现延迟断裂的位置是螺栓头下方（根部），半螺纹螺栓的螺牙起点，以及与螺母啮合的第一个螺牙处；

氢脆和应力腐蚀均是延迟断裂的原因，但一般认为氢脆是延迟断裂的主要原因；由于螺钉的加工工艺和使用环境等因素，氢原子会侵入到螺钉内部，并在应力作用下最终导致断裂；

由于氢的侵入可能在螺钉的加工工序和使用环境中出现，一般情况下，如果有一颗螺钉产生异常，同时制作的螺栓和同一个地方使用的螺栓，发生延迟断裂的风险也都会很高；

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五、高温断裂；

材料在恒温恒应力作用下，随着时间增加而缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变，螺栓由于这种变形而引起的断裂称为蠕变断裂；如火力发电厂涡轮机使用的螺栓，就可能因蠕变而发生断裂；

典型的蠕变曲线可分为三个阶段，如下图示；

螺栓强度随温度升高而降低，塑性随温度升高而增加；

另外，在高温条件下即使载荷小于屈服强度（当前温度下），随着载荷作用时间的增加，材料也会产生缓慢而连续的塑性变形，即发生蠕变；

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