浅谈紧固件疲劳失效

杨草青

摘要：螺栓疲劳断裂在紧固件连接中发生频率较高，通过对疲劳断裂的的特点和不同工况下的断裂的分类归纳，疲劳断裂断口的宏观和微观上的特征分析，判断产生疲劳断裂的原因，采取的避免疲劳断裂的措施。

关键词：疲劳断裂;螺栓;失效;

紧固件连接中，螺纹紧固件为主要连接方式，螺栓断裂失效是产品最主要和最具危险性的失效，疲劳断裂是螺纹紧固件主要失效方式之一，疲劳断裂出现的比例高，危害性大，且是在交变载荷作用下出现的断裂， 按断裂前宏观塑性变形的大小分类，疲劳断裂属脆性断裂范畴，因此国内外工程界均将其单独作为一种断裂形式加以重点分析研究。

1. 疲劳断裂的定义

螺栓在交变应力作用下，经一定循环周次后发生的断裂称作疲劳断裂。

2. 疲劳断裂的特点

2.1多数螺栓承受的应力呈周期性变化称为循环交变应力。如活塞式发动机的连杆螺栓、气缸盖螺栓、主轴承盖螺栓等。这些螺栓的失效，据统计60%～80%是属于疲劳断裂失效。

2.2 疲劳破坏表现为突然断裂，断裂前无明显变形。不用特殊探伤设备，无法检测损伤痕迹。除定期检查外，很难防范偶发性事故。

2.3造成疲劳破坏的循环交变应力一般低于螺栓的屈服极限，有的甚至低于弹性极限。

2.4螺栓的疲劳断裂失效与材料的性能、质量、零件的形状、尺寸、表面状态、使用条件、外界环境等众多因素有关。

2.5很大一部分螺栓承受弯曲或扭转载荷，其应力分布是表面最大，故表面状况（如切口、刀痕、粗糙度、氧化、腐蚀及脱碳等）对疲劳抗力有极大影响。

3.疲劳断裂失效的分类

根据螺栓在服役过程中所受载荷类型与大小，加载频率的高低及环境介质与温度等，可将疲劳断裂分为如下类别

3.1 由于各类疲劳断裂寿命均是以循环周次计算，一般分为高周与低周疲劳。

（1）高周疲劳，又称应力疲劳，是指零件在较低的交变应力作用下至断裂的循环周次较高，它是最常见的疲劳断裂，统称高周疲劳。

（2）低周疲劳又称大应力或应变疲劳，是指零件在较高的交变应力作用下至断裂的循环周次较低，称为低周疲劳。

3.2 按其它形式分类的疲劳断裂，包括热疲劳、高频疲劳、低频疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳等，均可按至断裂循环周次的高低而纳入此两类疲劳范畴之内。

4.疲劳断裂失效分析

疲劳断裂失效分析的内容包括：分析判断螺栓的断裂失效是否属于疲劳断裂与疲劳断裂的类别;引起疲劳断裂的载荷类型与大小以及疲劳断裂的起源等。疲劳断裂失效分析的目的则是找出引起疲劳断裂的确切原因，从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据。

4.1疲劳断裂的宏观分析

典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区，即疲劳源区  扩展区和瞬断区。在一般情况下，通过宏观分析即可大致判明该断口是否属于疲劳断裂  断裂源区的位置  裂纹的扩展方向以及载荷的类型。

（1）疲劳断裂源区的宏观特征及位置的判别 宏观上所说的疲劳源区包括裂纹的萌生与第一阶段扩展区。疲劳源区一般位于零件的表面或亞表面的应力集中处，由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最长，裂纹扩展速率较慢，经过反复张开与闭合的磨损，同时在不同高度起始的裂纹在扩展中相遇，汇合形成辐射状台阶或条纹。因此，疲劳源区一般具有如下宏观特征：①氧化或腐蚀较重，颜色较深;②断面平坦、光滑、细密，有些断口可见到闪光的小刻面;③有向外辐射的放射台阶或放射状条纹;④在源区虽看不到疲劳弧线，但有向外发射疲劳弧线的中心。

（2）疲劳断裂扩展区的宏观特征 该区断面较平坦，与主应力相垂直，颜色介于源区与瞬断区之间，疲劳断裂扩展阶段留在断口上最基本的宏观特征是疲劳弧线（又称海滩花样或贝壳花样）

（3）瞬时断裂区的宏观特征 疲劳裂纹扩展至临界尺寸（即零件剩余截面不足以承受外载时的尺寸）后发生失稳快速破断，称为瞬时断裂。断口上对应的区域简称瞬断区，其宏观特征与带尖缺口一次性断裂的断口相近。

4.2疲劳断口的微观分析

疲劳断裂的微观分析必须建立在宏观分析的基础上，它是宏观分析的继续和深化。对断口进行深入的微观分析，才能较准确地判明断裂失效的模式与机制。疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容：

（1） 疲劳源区的微观分析

首先要确定疲劳源区的具体位置，对于多源疲劳还需判明主源与次源。其次要分析源区的微观形貌特征，包括裂纹萌生处有无外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹、腐蚀损伤及腐蚀产物、材质缺陷等。疲劳源区的微观分析能为判断疲劳断裂的原因提供十分重要信息与数据，是分析的重点。

（2）疲劳扩展区的微观分析

由于第一阶段的范围较小，尤其要仔细观察其上有无疲劳条带、韧窝、台阶、二次裂纹以及断裂小刻面的微观形貌。对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带，疲劳条带的性质及条带间距的变化规律等。搞清这些特征，对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速度、载荷的性质与大小等将起重要作用。

（3）瞬断区微观特征分析

主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝。搞清韧窝的形貌特征有利于判断引起疲劳断裂的载荷类型。

4.3引起疲劳断裂的载荷类型分析

各种类型的疲劳断裂失效均是在交变载荷作用下造成的，因此，在分析疲劳断裂失效时，首要的是要以断口的特征形貌来分析判断所受载荷的类型。

（1） 反复弯曲载荷引起的疲劳断裂

螺栓承受弯曲载荷时，其应力在表面最大、中心最小。所以疲劳裂纹总是在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直的方向扩展。弯曲疲劳断口一般与其轴线成90°。

（2） 轴向载荷引起的疲劳断裂

螺栓受到轴向交变载荷时，其应力分布是螺栓的外表面远高于中心。由于应力分布均匀，使疲劳源区的位置变化较大。源区可以在螺栓的外表面，也可以在零件的内部，这主要取决于各种缺陷在零件中分布状态及环境因素等。

（3） 扭转载荷引起的疲劳断裂

轴在交变扭转应力作用下，可能产生一种特殊的扭转疲劳断口，即锯齿状断口。在双向交变扭转应力作用下，在相应各个起点上发生的裂纹，分别沿着±45°两个侧斜方向扩展（交变张应力最大的方向），相邻裂纹相交后形成锯齿状断口;在单向交变扭转应力的作用下，在相应各个起点上发生的裂纹只沿45°倾斜方向扩展。当裂纹扩展到一定程度，最后连接部分破断而形成棘轮状断口。

4.4低周疲劳断裂的判据

（1）宏观特征，低周疲劳宏观断口除具有上述疲劳断裂宏观断口的一般特征之外，还有如下特征：

①具有多个疲劳源，且往往是线源。

②瞬断区的面积所占比例大，甚至远大于疲勞裂纹稳定扩展区的面积。

③疲劳弧线间距加大，稳定扩展区的棱线（疲劳二次台阶）粗且短。

④整个断口高低不平，随着断裂循环数的降低，断口形貌愈来愈接近静拉伸断口。

（2） 微观特征，由于宏观塑性变形较大，低周疲劳断裂微观断口会有静载断裂的某些特征。

5.提高疲劳抗力的措施

综上，为防止疲劳断裂失效，须从优化设计、合理选材和提高零件表面抗疲劳性能等方面入手。

5.1优化设计

合理的结构设计和工艺设计是提高零件疲劳抗力的关键。螺栓不可避免地存在圆角  孔及螺纹等应力集中部位，在不影响螺栓使用性能的前提下，应尽量选择最佳结构，使截面圆滑过渡，避免或降低应力集中。结构设计确定之后，所采用的加工工艺是决定零件表面状态，流线分布和残余应力等的关键因素。

5.2合理选材

合理选材是决定零件具有优良疲劳抗力的重要因素，除尽量提高材料的冶金质量外，还应注意材料的强度  塑性和韧性的合理配合。

5.3螺栓表面强化工艺

为了提高零件的抗疲劳性能，发展了一系列的表面强化工艺，喷丸强化和螺纹滚压强化工艺等。实践表明，这些工艺对提高螺栓的抗疲劳性能效果非常明显。

参考文献

[1]紧固件生产技术检验及失效分析   机械工业出版社    2016

[2]王新忠   螺栓的疲劳断裂分析    中国教育与教学    2006