螺栓失效分析

失效分析概述
在具体讲述螺纹紧固件失效分析案例以前，先对失效分析的定义、意义、目的；失效的来源；失效分析的思路与方法；断口分析和名词术语等做一简单叙述。

1.失效定义
一个零件或部件不能履行设计赋予它规定的功能，称该零件或部件失效。

它包括以下三内容：
a.完全不能工作；
b.可以工作，但不能令人满意地完成预期的功能；
c.受到严重损伤不能可靠而安全的连续使用，必须拆下来进行修理或更换。

应注意把失效与废品区别开来，前者是在使用过程中出现的，后者是在生产制造过程中产生的。

另外，失效又分为正常失效和非正常失效，达到设计寿命的为正常失效，反之为非正常失效，后者才是通常失效分析工作的主要对象。

2.失效分析的意义、目的
机械产品设计者的主要任务，是为社会提提供质量好、寿命长、成本低的产品。

一种新产品的诞生，开始并不是完美的，多少会存在各种大小不同的问题，这在设计、制造中可能难以发现，往往只有在使用中才能充分暴露。

为此，设计、制造者必须针对产品使用中出现的失效进行仔细分析，找出问题的症结，重新改进设计、制造。

再投入使用，发现问题，再改进，这个循环过程也许要反复进行多次。

因此，失效分析是机械差品的质量由不完善走向完善的必经之路，是机械产品可靠性设计重要的一环。

最近一些年来，委托我们进行失效分析的任务越来越多，这是好事，这并不反应产品质量越来越差，而恰恰反应了生产者、客户对产品高质量的追求。

3.失效的来源
造成失效的来源主要有以下方面：
——设计
——选材
——材料缺陷
——制造工艺（冷加工、热加工、表面处理等等）
——贮存、运输（碰撞、锈蚀…）
——装配（如螺栓拧紧力矩…）
——服役条件（环境温度、受力状态、腐蚀环境、相关件的影响等）
4.失效分析的思路、方法
失效分析也有繁、简之分。

一些零部件的失效在现场很快能确定失效原因这是简单的。

但是对一些大型零部件（如飞机、电站转子…），一些复杂且影响因素很多的零部件的失效分析，则必须组织多专业的科技人员，动用一些专用的检测仪器设备。

进行失效分析时，要做的工作包括（根据分析工作的难易来取舍）：
（
1收集背景资料：失效件的设计图纸、要求；失效件的制造历史；失效件的服役情况、环境、
受力情况…。

2失效件的现场状态：运行记录、询问现场人员、拍照。

3化学成分分析：鉴别材料的选择是否正确。

4）无损探伤：磁粉、超声波、着色、涡流、X射线、γ射线、工业CT…。

5断口分析：保存好失效件的断口，不要受到损伤，不要将两个断口去吻对，断口上的附着物不要忙于清除。

断口的清洗要小心谨慎。

6金相检验：包括低倍与高倍。

7断口电镜分析：扫描电镜，透射电镜，俄歇谱仪，能谱分析等。

8相结构分析：X射线衍射。

9受力分析：光弹，应变片，涂漆，X射线应力测定。

10力学性能测试：硬度，
断裂模拟试验：对一些吃不准的破坏形式，根据受力条件、环境进行模拟重现。

12分析、结论。

5.
断口分析
断裂是机器零件失效最严重的表现形式之一。

对断裂的研究已发展成一门独
立的边缘学科，涉及到断裂力学，断裂物理，断裂化学和断口学等多个分支。

其
中断口存储记录了大量失效特征及失效原因的信息，
因此，
断口分析是失效分析
最基本，也是最重要的方法之一。

尽管如此，在断口上记录的信息毕竟有限，加
之对断口的基本研究仍在深入，
以及在复杂工况条件下断口形貌的变异，
增加了
断口分析的难度和结论的可靠性。

因此绝不能把断口分析和失效分析等同起来，
把断口分析所得出的结论充当零件失效原因的结论。

（
1
）
断口保存
断口不要磕碰，
不要把两个匹配断口用力去吻对，
以免断口形貌失真。

断口
上的一些残留物、污迹往往是失效的证据，不要轻易去除。

比如断口上的油污、
锈迹等往往是裂纹产生在热处理前或后的判据。

待分析的断口要用干净的纸、
包好，防潮，以免锈蚀。

（
2
）
存在多个断口时，对每个断口的位置要标明，编号，照相留存。

（
3
）
断口清洗
当对断口要进行清洗时，可用酒精、丙酮等清洗；不干胶带反复粘贴；电镜薄膜粘贴；超声波清洗。

当断口污染、锈迹严重时，可用化学方法清洗；呈弱酸性的溶液，碱液清洗
（如醋酸，磷酸，稀氢氧化钠溶液，
10%
～
20%
的草酸等）。

清洗完后，用酒精淋洗，吹干后便于观察或置于干燥箱中保存。

（
4
）
二次断口的打开
有时断口受到严重损坏，
断裂细节观察不到，
此时可将次生裂纹处打开进行
观察，往往可以更加真实地反映断裂的细节。

此时，应将断裂处反响折断，以防
断口受到挤擦损伤，有时可将试样深冷处理（如液氮）
，使材料脆化，便于折断。

（
5
）
配对断口的提供。

有时单个断口不能反映断裂的力学特征，
对配对断口进行观察比比对便可得
出结论，
如张开型断裂，
扭转剪切型断裂，
从韧窝的相对变形方向便可判断受力
性质（图
1
）。

为了对断裂性质作初步定性分析，
在肉眼观察零件的实际断口时，
主要从以
下几个方面入手：
（
1
）
观察断口是否存在放射花样或人字纹，人字纹的顶点就是裂纹源的位置。

根据放射区和纤维区面积的相对大小，
可以大致定性估计断裂性质。

放射
区大，所受外力就大，脆性也就越大。

（
2
）
断口上是否存在弧形线，如有海滩状弧线，说明是疲劳破断。

（
3
）
断口的粗糙程度，断口越糙，表明韧性纤维断裂所占比重越大。

反之，断口细平，多光泽，则解理脆性断裂所占比重大。

（
）
断口颜色，断口灰暗，塑性大。

（
8
）
疲劳断裂
在全部结构零件的破坏中，
疲劳断裂占绝大多数，
因此引起人们的特别关注。

疲劳是在周期交变应力作用下产生的一种突发破坏形式，
在静载荷条件下不
存在疲劳。

疲劳的抗力指标是疲劳极限
σ
r。

通常低于材料的屈服极限。

疲劳断裂，
在宏观上没有显著的塑性变形，
从这个意义上说，
疲劳破断属于
脆性断裂。

疲劳断口大体上可分成三个区：
裂纹源区；
裂纹扩展区；
裂纹快速扩展区
（瞬
断区）和剪切唇（图
7
）。

疲劳源区：一个光滑、细腻的细小区域，由于受交变应力的作用，裂纹两侧因反复挤压而变得平坦、光滑。

裂纹扩展区：该区的最大特点是有疲劳弧线（又称贝壳花样或海滩花样）
，
这是裂纹扩展中的停顿或应力大小变化时，
裂纹前沿线所留下的痕迹。

该区的微
观形貌是存在疲劳辉纹（图
8
）
，这是一些相互平行的条带，每一个条带对应一
次应力循环。

瞬断区：
疲劳裂纹扩展至一定深度后，
零件的剩余截面积不足以抵抗外力的
作用而产生瞬时破断。

该区的特征是放射条带和剪切唇。