A．分析流程

當我們確定任何一種失效的根本原因時，必須遵守相應的指南或者提出一些問題。調(diào)查的首要部分是收集盡可能多的和緊固件應用相關的信息。

1. 緊固件是如何被安裝的，用手、氣動工具、或者扭矩扳手？

2. 用到的輔助組件，平墊圈類型；螺母等級，光潔度、表面涂層？

3. 作用與連接處的外載荷類型：重在沖擊載荷、振動、旋轉(zhuǎn)，靜載荷，軸向載荷或者是橫向載荷？

4. 載荷的大小？

5. 環(huán)境？

6. 連接處是否是多個緊固件？

7. 多個聯(lián)接螺栓是如何緊固的，交叉緊固、逐步加載，或者一個挨一個的擰緊？

8. 從哪里施加的凝聚擰緊的，螺栓頭或者是螺母、又或者是螺栓頭螺母交替擰緊的？

9. 連接的狀態(tài)怎么樣，生銹的、噴漆表面、粗糙的、光滑的、圖潤滑的表面？

10. 失效零件的狀態(tài)如何，噴漆的，生銹的、有油脂的、熱燒傷的？

11. 斷裂表面的狀態(tài)是什么樣的，光滑的、發(fā)暗的、光亮的、生銹的？

12. 斷裂的部位，頭部、螺紋過渡處、外部裂紋？

13. 該批螺栓是否有機械性能或者化學成分的測試報告？

B．調(diào)查取證

現(xiàn)在需要我們來把我們收集的資料進行分類了，有時我們可以通過樣品的表觀和斷面來判斷到底發(fā)生了什么，這樣可以縮小失效可能的范圍。

例如，韌性斷裂會顯示為有夾雜的凹渦，或者杯形或錐形的暗帶。也會顯現(xiàn)其他形式的變形，因為材料在發(fā)生極限斷裂前會發(fā)生形變。然而，如果加載很快如，沖擊或快速擰緊，韌性材料也有可能發(fā)生脆性斷裂。例如再利用非可調(diào)式氣動工具緊固螺栓時。

檢查螺栓的螺紋部分，看螺距是否有變化，這可以幫我們判斷螺栓是否承受了較大的載荷，如果螺距變大，說明螺栓應力超出了屈服應力。

                                                                                      圖1.韌性斷裂

脆性斷裂一般情況下端面是平的，端面和疲勞失效相似，不過看上去更光亮一些，露出晶粒狀斷裂。脆性斷裂不會顯示處形變的跡象，有些斷裂會顯示指向應力起始點的鋸齒痕或瀑布紋。

                                                                                       圖2.脆性斷裂

金屬疲勞會顯示貝殼紋或沙灘條紋貫穿疲勞斷面，這里會有一系列的帶狀暗帶或亮帶或者二者兼有，暗帶預示著低頻率振動，而亮帶則是由于高周波沖擊載荷引起。

                                                                                     圖3.金屬疲勞斷裂

下面的圖片中是車輪螺栓的疲勞斷裂，斷裂區(qū)有多個應力起始點，這意味著車輪螺栓在松弛轉(zhuǎn)臺經(jīng)歷了旋轉(zhuǎn)載荷和彎曲載荷。

通常，疲勞斷裂發(fā)生在第一個螺紋或者第一個未合螺母旋合的螺紋。

                                                                                         圖4.多個疲勞起始點

涂層的影響在高溫應用場合會有所不同，

如果一個全金屬鎖緊螺母從渦輪增壓器或者壓力鍋爐脫出，他內(nèi)部看上去會像圖5.金色的螺母一般是鍍鎘的，在204℃時會發(fā)生液體金屬脆斷，液體金屬脆斷是和時間相關的，低溫時脆斷發(fā)生的時間比高溫要長。鍍鋅也會引起液體金屬脆斷，但發(fā)生的溫度更高。

                                                                                 圖5.液體金屬脆斷

C．原因分析

C．1. 緊固件是如何安裝的？

如何安裝緊固件對緊固件的影響非常大，因為永遠不可能均勻地用手擰緊螺栓，螺栓摩擦系數(shù)不同、每個安轉(zhuǎn)人員對是否擰緊的感覺也不同。有時標準扳手的長度并不能提供合適的杠桿來擰緊高強度螺栓。

扭矩扳手精度很好，但其他因素的影響，主要是摩擦系數(shù)不確定，導致最終預緊力不精確。

氣動扳手大部分情況是無法調(diào)節(jié)輸出扭矩的，通常設定一個時速點。如果螺栓充分潤滑，螺母螺紋有可能脫扣或者螺栓被過渡拉長。

氣動工具很快，有時會引起螺紋擦傷或者不銹鋼螺紋咬死，甚至是不同的不銹鋼，是速度損傷了緊固件。組裝的速度也可能會引起螺栓欠預緊進而發(fā)生疲勞失效，因為高速推進螺母會使螺母猛擊連接面，連接面也會對螺母施加一個同樣的反作用力這會使螺栓達不到預期的預緊力。

                                                                                      圖6.沖擊扳手作用于螺母

沖擊扳手一定會留下不當使用的痕跡，在上圖中，六角頭的腳部有與套筒的角部撞擊的痕跡。

C．2 用到的輔助部件

這主要是檢查螺栓或者螺母的性能等級或強度等級已確定螺母螺栓是否匹配。如果不匹配，會有螺紋脫扣或者疲勞痕跡在斷裂面上因為夾緊力損失。

如果使用鍛造墊圈（未熱處理）于8.8級或更高等級的螺栓連接，夾緊力也可能損失掉。如果墊圈有明顯的壓痕，說明螺栓夾緊力已經(jīng)損失了。用于疲勞工況的墊圈引起夾緊力損失進而導致早期失效。

                                                                                 圖7.螺母變形

C．3 外載荷類型和載荷大小

選取合適的螺栓取決于螺栓在服務周期中經(jīng)歷怎樣的載荷。如果螺栓彎了，說明選取的螺栓強度或者公稱直徑不合適。如果螺栓沒有適當?shù)仡A緊或維護重載振動載荷或者沖擊載荷會引起疲勞失效。在連接處也需要有多個螺栓來承受連接載荷以降低單個螺栓的綜合應力。

C．4環(huán)境

                                                                               圖8.應力腐蝕斷裂

有些腐蝕環(huán)境可能導致腐蝕應力斷裂，在腐蝕環(huán)境下金屬晶界受到化學攻擊。滯留水會形成電解池引起氫脆。

當斷裂面有銹蝕時，這意味著斷裂并非新生成，而是已經(jīng)擴展有一段時間了。這也可能引起其他應力起始點。

農(nóng)業(yè)機械會受到嚴重的化學腐蝕即使每天都清洗。有些把螺栓換成了不銹鋼螺栓以避免頻繁更換生銹的螺栓。不幸的是，不銹鋼螺栓可能會彎或者疲勞斷裂，因為不銹鋼螺栓可能沒有原來的螺栓強度高。

C．5多螺栓組合

如果在一個連接處用多螺栓組合而沒有均勻地預緊，載荷分布可能成為大問題。當不均勻緊固發(fā)生時，整個連接開始損失夾緊力，夾緊力最小的那個螺栓承受最大的疲勞載荷，發(fā)生疲勞斷裂，而他緊鄰的螺栓需要承擔額外的極限載荷，隨之發(fā)生失效，多米諾效應就發(fā)生了。

                                                                                圖9.多螺栓斷裂

斷裂面會通過斷裂過程告訴我們哪一個螺栓先失效哪一個后失效。第一個顯露的疲勞裂紋沿整個界面擴展，第二個螺栓不像第一個那么提前斷裂了，以此類推，直到最后一個可能就是韌性拉斷了（上圖從右數(shù)第三個）。

同時也要注意斷面生銹面積的大小，這也可以判斷斷裂的先后順序。

C．6連接件表面的狀態(tài)

連接表面能告訴我們緊固扭矩的離散度，螺紋和螺母承壓面如果涂潤滑油或脂，可以使摩擦系數(shù)更趨于一致，夾緊力也會比較均勻。螺栓孔的邊緣的毛刺可能損傷螺栓頭頸部的圓角導致螺栓頭斷裂，不平整的連接表面會消耗額外的夾緊力使連接面貼合，隨著一段時間的運行，夾緊力會有一大部分的損失，導致最終的疲勞斷裂。