螺栓斷裂的案例
高強螺栓斷裂成因分析
制造一批規格為M42 mm×230 mm，材質為42CrMoA，性能等級為10.9級的高強度六角螺栓。螺栓的加工工藝為：原材料退火→無心車削→鋸料→平端面倒角→磷化潤滑→縮桿→熱鍛→六角頭倒角→熱處理(調質)→校直→滾壓螺紋，調質過程使用網帶爐處理。在校直工序中2件發生斷裂，斷裂位置大約在螺桿軸向1/2處(見圖1)。在校直過程中發生2件螺栓斷裂后隨即停止了該批次其余螺栓的校直。為查找螺栓斷裂原因，避免同類事件再次發生，筆者對斷裂的螺栓進行了相關的檢驗與分析。
1 理化檢測
1.1 宏觀檢測
1.1.1 斷口宏觀分析
兩根螺栓均斷裂在螺桿約1/2處校直彎曲部位，見圖 1(a)。斷口整體呈現脆性斷裂特征，斷口呈現由中心向四周的輻射狀條紋，斷口外層為光滑平整的脆性斷口，斷口表面未發現肉眼可見的宏觀塑形變形及夾渣物，圖2箭頭位置為校直工序中開裂。表明裂紋從心部起裂，向四周擴展，最終導致螺栓斷裂。
1.1.2 低倍檢驗
在斷裂螺栓斷口以下20 mm處沿橫向取樣，進行低倍檢驗，螺栓心部存在大量縮孔。檢驗結果為：一般疏松1級，中心疏松2級，一般斑點狀偏析<1級，見圖3，未發現裂紋等其它宏觀缺陷。
(a) 斷裂螺栓的整體圖；(b)螺栓的斷裂處
圖1 斷裂螺栓
(a) General drawing of broken bolt；(b) The breakpoint of bolts
Fig.1 Broken bolt
圖2 斷口宏觀形貌
Fig.2 Macromorphology of fracture
1.2 化學成分分析
在螺栓近斷裂位置約20 mm處取樣進行化學成分分析。
展開 螺栓松動斷裂分析
螺栓松動是常有的事，但若不注意，往往會引起設備振動、部件損壞，甚至人員傷亡。如何擰緊一個小小的螺母，一直是機械設計中長盛不衰的話題，大家比較了解的，例如日本的偏心螺母、唐氏螺母和中國自緊王螺母，但我們今天不講這些緊固件界的明星，我們來聊聊工作中最基本的固定螺母的方法。
01
螺栓為什么越擰越緊呢？
一般情況下，我們對于螺栓斷裂從以下四個方面來分析：
第一、螺栓的質量
第二、螺栓的預緊力矩
第三、螺栓的強度
第四、螺栓的疲勞強度
實際上，螺栓斷裂絕大多數情況都是因為松動而斷裂的，是由于松動而被打壞的。因為螺栓松動打斷的情況和疲勞斷裂的情況大體相同，最后，我們總能從疲勞強度上找到原因，實際上，疲勞強度大得我們無法想象，螺栓在使用過程中根本用不到疲勞強度。
0
1
螺栓斷裂不是由于螺栓的抗拉強度
以一只M20×80的8.8級高強螺栓為例，它的重量只有0.2公斤，而它的最小拉力載荷是20噸，高達它自身重量的十萬倍，一般情況下，我們只會用它緊固20公斤的部件，也只使用它最大能力的千分之一。
展開 Abaqus利用梁單元模擬螺栓連接 附基于ABAQUS對螺栓斷裂問題仿真分析下載
定義多個載荷步，其中前三個載荷步用于施加螺栓預緊力。定義方式是在Creat Load下面的Bolt Load（螺栓載荷），選擇梁單元后確認方向（這里方向的影響不大）
載荷步1：施加10N的預緊力；
載荷步2：施加50KN的預緊力；
載荷步3：將預緊力的形式改為Fix at current length，如下圖所示。
后面的載荷步則可以正常施加其他載荷。
圖6
本次實例加完載荷計算后得到的應力結果如下所示：
圖7
可以通過主菜單View-ODB Display Option下面的Render Beam Profile開關，顯示真實的螺栓形狀，打開之后如圖所示。
圖8
本次施加的是拉力載荷，因此螺栓主要承受的是拉力，其應力水平最高。
下載地址：基于ABAQUS對螺栓斷裂問題仿真分析
展開 高強度螺栓的斷裂分析
高強度螺栓的斷裂分析
某市軌道交通車輛發生螺栓失效，看VDI2230如何扭轉乾坤 附VDI2230-2下載
雖然VDI2230-1在計算順序上排在VDI2230-2之后，但確是整個螺栓計算中的難上之難、重中之重，它不僅精確地分析了螺栓受力時的力學原理，而且把計算過程嚴格地進行程序化。這是德國工程師深入研究一絲不茍以及嚴格遵守流程的絕佳體現。
三、VDI2230導則在實際工程的應用解析
VDI 2230博大精深，后續會有一整套課程詳細講解。如下圖：本文由于篇幅所限，只是引出VDI2230這個導則在工程實際中的一個應用。比如針對本文開頭提到的螺栓斷裂問題，顯然不是由于載荷過大，也不是螺栓選取不合理。技術人員提出的降低預緊力矩雖然在一定程度上增加了螺栓的承受工作載荷的余量，但是卻造成由于預緊力不足而導致本應該被螺栓夾緊的軸承在車軸上發生滑動從而使軸承報廢的后果。
而把螺栓從8.8級更換成10.9級后，雖然增加了螺栓的安全系數，螺栓沒有再發生斷裂，但是與螺栓旋合的車軸上的螺紋孔卻被剪斷，導致整個車軸報廢，后果更嚴重。
因此，詳細地、定量地對影響螺栓性能的所有因素進行精確計算非常必要，這也是VDI 2230 的主要研究內容和其精華所在。本人拿到上述任務之后，對螺栓的類型（內六角還是 外六角）、螺栓的長度、螺栓的加工方法（滾絲后熱處理還是熱處理之后再滾絲）、車輛運行時軸承溫度、軸端壓蓋的厚度、軸端壓蓋與螺栓接觸面的表面粗糙度、軸端壓蓋的材料、擰緊螺栓時所用的工具，安裝螺栓時螺紋牙表面涂的潤滑物、安裝時是否使用墊片等方面進行了核查。
之后根據VDI 2230 進行了計算。最后終于找到原因：安裝人員在預緊螺栓時擅自在螺栓頭底部增加墊片，最終導致了螺栓的斷裂。但是如果問題的分析，僅限于此，那還遠遠不夠，不具備說服力。設計研發就應該進行定量分析、給出定量的結論，沒有精確的數值結論沒有任何意義，也沒有充分發揮VDI 2230的優勢。
展開 高強度螺栓疲勞壽命分析與設計改進
借助有限元分析工具, 對某燃汽輪機風扇座環連接螺栓應力及接觸狀態進行了分析研究, 并計算出了螺栓的應力幅值。
將 ASME 標準與應變方法的疲勞曲線進行了對比分析研究, 確定選用 ASME 標準中的疲勞曲線進行螺栓疲勞壽命分析, 并與現場運行統計數據進行對比分析, 給出了一套有效的螺栓疲勞壽命預測方法。并在此基礎上給出提高螺栓使用壽命的結構改進的方法。
螺栓連接作為一種重要的結構連接方式, 已廣泛應用于各類工程領域中。然而, 在高預緊力載荷以及交變載荷作用下, 高強度螺栓發生疲勞斷裂的事故時有發生。針對高強度連接螺栓的疲勞壽命, 科研人員做了大量的研究并取得了一系列成果。
在此基礎上, 本研究以某型號燃汽輪機風扇座環連接螺栓為研究對象, 借助有限元分析方法, 對該螺栓的應力幅值及各連接部件的接觸應力狀態進行了分析和對比研究, 并基于疲勞分析方法對初始以及改進的螺栓壽命進行了預估分析, 從而確定螺栓疲勞的分析方法以及優化改進的方案。
研究對象概況
作為研究對象的某燃汽輪機風扇座環連接螺栓結構布置如圖1所示, 機組運行轉速為 3000 r/min, 在啟停機次數大約 800次之后, 風扇座環連接螺栓發生斷裂。斷口分析認為, 其螺栓破壞為低周疲勞斷裂。
從螺栓疲勞斷口圖 (見圖2) 來看：區域A為裂紋萌生區域, 該區域為螺紋的根部區域, 參考 ASME 標準, 該部位的應力集中系數不小于3.9, 屬于應力敏感區域, 也是螺栓斷裂的常見多發位置;區域 B 為裂紋擴展區域;區域 C 為斷裂失效區。
展開 關于fe-safe的例子
ansys/fesafe的應用實例
摘要：分析了預緊力和熱應力對模具聯接螺栓強度的影響。結果表明，模具聯接螺柃的應力遠遠低于材料的強
度極限．但在固化過過程中，模具聯接螺栓經常會出現斷裂現象。應用ANSYS／FE-SAFE軟件。對螺栓進行
疲勞分柝，計算了螺栓的使用壽命，揭示了模具聯接螺栓斷裂的根本原因。
基于ANSYS╱FE-SAFE的模具聯接螺栓疲勞仿真分析.pdf
【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準則---{ 問題答疑 +工程案例 + 模型文件 } ￥99.9
····································工程應用····································
工程案例：連接件由4顆M10的螺栓固定在底座上，連接件承載孔承受持續5ms的沖擊載荷，工況1峰值130KN，工況2峰值135KN。
圖6-案例圖示
圖7-材料參數-彈塑性+韌性損傷+剪切損傷+損傷演化
計算結果：
圖8-工況1應力云圖
圖9-工況1等效塑性應變云圖
圖10-工況2應力云圖
圖11-工況2等效塑性應變云圖
····································模型文件····································
付費部分提供螺栓失效工程案例的2個inp文件（工況1、工況2）。
展開 四川石化│催化裂化裝置吸收塔冷卻器的腐蝕與防護，非常有借鑒意義！
03
腐蝕原因分析
①螺栓斷裂原因分析
內浮頭螺栓浸泡在含硫的一中段油介質中，溫度為36~40℃，位于硫化物應力腐蝕敏感溫度區。另外，螺栓的硬度偏高，會降低其抗硫化物應力腐蝕開裂的能力，且螺栓服役時間較長。分析認為，螺栓斷裂的原因在于其發生了硫化物應力腐蝕開裂。
②管束腐蝕原因分析
管束主要發生了循環水垢下腐蝕和微生物腐蝕。管束上通常附著有生物黏泥和污垢，在清除附著物后，能發現黑色的腐蝕產物，這屬于典型的硫酸鹽還原菌腐蝕特征。清除腐蝕產物后，會發現金屬表面有很多蝕坑。由于垢下腐蝕過程中存在自催化作用，造成腐蝕加速進行。隨著服役時間的延長，冷卻器內換熱管的壁厚將逐漸變薄，最終發生破裂或穿孔。
③管束管板間裂紋產生原因分析
冷卻器的管束與管板常用的連接方式主要有強度焊接、強度脹接以及脹焊結合等，該冷卻器采用脹焊結合的方式進行連接，在管束與管板連接處，由于受到焊接殘余應力以及硫化物等腐蝕性介質的影響，此處容易發生硫化物應力腐蝕開裂。
預防措施及建議
（1）嚴格控制物料中硫化物、氯化物和氮化物等腐蝕性介質的含量。
（2）加強循環水水質管理，重點控制硬度、氯離子、pH值和濁度等指標，以減輕循環水對設備和管道的腐蝕。
展開 緊固件失效分析方法
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。如果螺栓沒有適當地預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環境
圖8.應力腐蝕斷裂
有些腐蝕環境可能導致腐蝕應力斷裂，在腐蝕環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，而是已經擴展有一段時間了。這也可能引起其他應力起始點。
農業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，隨之發生失效，多米諾效應就發生了。
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（上圖從右數第三個）。
展開 機械壓力機制動器安裝板斷裂問題的分析與對策研究
圖1 機械壓機微動系統結構
圖2 機械壓力機傳動系統
圖3 連接部位的螺栓與銷松脫
圖4 制動器安裝板斷裂
分析與研究
根據制動器安裝板與渦輪支撐套的連接方式的分析與研究，確定該連接方式是導致該類問題的根本原因，原有連接方式是兩個端面用螺栓和緊固銷簡單的連接，由于每次微動調整時，瞬時扭矩和振動較大，該扭矩和振動直接傳遞到螺栓和銷上，加上兩連接零件之間存在的安裝間隙，造成螺栓和緊固銷需要承受較大的扭矩和振動的沖擊，所以，需在連接結構方面進行改進，降低瞬時扭矩和振動對螺栓和銷的沖擊，需使用一種全新的連接結構，使得維修方便，維修成本較低，凹凸互補連接方式就可以很好的解決該問題。
解決方案與對策
凹凸互補連接方式(圖5)是一種新的連接方式，可以非常有效的將端面連接的松脫問題進行解決，特別是針對瞬時扭矩和振動大的場合。
工作原理：通過在制動器安裝板連接處設計和加工兩處凸臺(圖6)，且經過扭矩力的計算與校核，凸臺設計的寬度為100mm，高度為50mm，兩連接側面的表面粗糙度為1.6μm；同時在渦輪支撐套的連接處設計和加工兩處凹槽(圖7)，凹槽設計的寬度為100mm，深度為60mm，兩連接側面的表面粗糙度為1.6μm。這樣凹凸互補的方式可以很好的補償安裝間隙導致螺栓和緊固受力不均，同時可以提高安裝的效率和精度。
圖5 凹凸互補連接方式
圖6 制動器安裝板
圖7 渦輪支撐套
采用凹凸互補連接方式主要有以下優點：
(1)解決兩零件端面連接帶來的螺栓松動與斷裂，以及零部件斷裂問題。
(2)能有效的應用在扭矩大和振動大的場合。
(3)解決兩零件端面連接同軸度不高的問題。
展開 
緊固件低溫性能淺談
受軸向力作用的緊固件，螺紋被破壞，螺栓被拉斷。受徑向力作用的緊固件，螺栓被剪斷，螺栓孔被打成橢圓。
7、理論上講,45#鋼做8.8級應<=M20,但考慮到成本,實際上可做到<=M30基本上沒問題。45鋼做8.8的螺栓，一般在M16以下。
8、含錳量較高的中碳鋼.錳可顯著提高材料的低溫韌性。
鑄鐵裝配平臺操作“三板斧”：調平、夾緊、穩如泰山
調平時，通過旋轉墊鐵調節螺栓，逐步調整臺面高度，使水平儀氣泡居中，縱向、橫向水平誤差均控制在0.02mm/m以內，調平完成后，鎖緊墊鐵螺栓，再次復檢，確保水平精度不回彈。
二板斧：夾緊——定點，穩固可靠，技術核心是“受力均勻、定點”。夾緊前，需根據工件尺寸、重量和裝配要求，選擇合適的T型槽位置和夾緊方式，確保工件心與平臺支撐重合，避免單邊受力導致的工件變形和平臺偏移。T型螺栓的選用需與T型槽尺寸匹配，螺栓強度等級≥8.8級，鎖緊力矩控制在200-500N·m，根據工件重量逐步調整，避免力矩過大導致螺栓斷裂或工件變形。
夾緊操作需遵循“先定點、后夾緊，先輕壓、后鎖緊”的技術原則：先將工件放置在平臺基準面上，用定點塊定點，確保工件位置偏差≤0.03mm；再安裝壓板，壓板與工件接觸處需加裝軟墊（如銅墊、橡膠墊），避免劃傷工件表面，同時使壓板受力均勻；最后逐步鎖緊T型螺栓，鎖緊過程中需多次檢測工件位置，確保無偏移、無翹曲，夾緊后工件無松動，晃動量≤0.01mm。
第三板斧：穩如泰山——工況把控，精度保持，核心是維持平臺基準穩定。操作過程中，需嚴格控制平臺負載，避免超負荷運行，平臺實際負載不得超過額定承重的80%，防止臺面變形；禁止在臺面上進行錘擊、氣割、磨削等破壞性操作，避免臺面出現凹坑、劃痕，影響精度；裝配過程中產生的振動，需控制在0.01mm以內，可通過加裝防震墊進一步吸收振動。
同時，需定期維護平臺精度，每3個月用0級水平儀復檢一次臺面水平度，發現偏差及時調平；每6個月清理T型槽內的鐵屑、雜物，檢查T型螺栓和壓板的磨損情況，及時更換損壞配件。只要嚴格遵循以上技術操作規范，就能確保鑄鐵裝配平臺始終處于工作狀態，實現“調平、夾緊牢固、運行穩定”，真正做到穩如泰山，為高精度裝配提供可靠保障。
展開 【加密技術】Abaqus inp文件加密方法_教學
參考資料：
Abaqus Documentation
【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準則-工程應用案例，獲取inp文件：鏈接。
機械人必須掌握的3元素：齒輪負責傳動，軸承負責支撐，螺栓負責聯接
我們可以分三個方向：
第一、熟練掌握那些所謂“看不見、摸不著”深奧的技術，比如螺栓設計計算學科VDI2230，過盈壓配計算學科DIN7190，應力評價學科FKM。這些內容，不像普通標準一樣直接查閱就能得到結果，需要至少力學和數學為基礎并深入理解，還需要長期實踐積累案例才能融會貫通。因此，屬于所謂的“看不見、摸不著”的高深玩意。
我有一個朋友跟領導參加方案技術討論會，因為總工是機械出身，所以，每到機械內容討論的時候，總工就滔滔不絕，員工在展示方案的時候每句話他都要打斷然后發表自己的看法。但是輪到電氣同事展示電氣方案的時候，這位總工就老老實實地一言不發了。說明他不懂，產生了敬畏之心。因此，我推薦大家學習上述三門學科。
下面我舉幾個例子。前幾年曾經有個風力發電機塔筒倒塌的事故，當時主機廠技術主管直接認為就是螺栓預緊力矩打得過小了，但是最后調查得出的結論是預緊力過大造成的，如下圖所示：
預緊力BJ < 預緊力 FK，兩種情況下工作外力CD=GH，相等，那么螺栓受到的拉力CL<GM。因此，在這種情況下，螺栓斷裂是預緊力過大造成的。但是這也要具體問題具體分析，曾經有個丹麥的風機倒塔，那個根據螺栓斷口觀察以及端口的殘余應力檢測發現是疲勞破壞，在那種情況下，通過VDI21230分析，結論是預緊力過小導致，與這種失效原因恰恰相反。
所以說螺栓的預緊力非常有講究，螺栓連接不僅僅是生產高質量的螺栓，更重要的是怎么高質量地使用螺栓，也就是說預緊力一定要進行計算才可以。正如一個企業招聘到一個高水平的技術專家或管理專家，這很重要，但是更重要的是企業怎么去用人才。千里馬可貴，更可貴的是伯樂。那么如何合理地利用螺栓呢，這就是要精確地進行螺栓連接預緊力的計算，這部分內容需要根據VDI2230詳細分析。
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