紧固件典型失效形式（氢脆、应力腐蚀、疲劳）及案例解析

氢致延迟断裂

由于氢渗入金属内部导致损伤，从而使金属零件在低于材料屈服极限的静应力持续作用下导致的失效称为氢致延迟断裂，俗称氢脆。

根据氢的来源可分为内部氢脆和环境氢脆。

氢脆断裂

宏观特征

• 断裂多发生在螺纹牙底或头部与杆部过渡位置等应力集中处；

• 断口附近无宏观塑性变形，断口平齐，结构粗糙，氢脆断裂区呈结晶颗粒状，色泽为亮灰色，断面干净，无腐蚀产物；

• 氢脆断口上一般可见放射棱线；

• 氢脆断裂源可在表面，也可在次表层，这主要与拉伸应力水平、加载速率及缺口半径、氢浓度的分布等因素有关。

氢脆断裂

微观特征

• 氢脆断口微观形貌受到诸多因素的影响：材料种类、材料成分、强度级别、组织形态、晶粒大小、加工方式、使用环境 、受力条件、工作时间及氢含量等；

• 氢脆裂纹一般无分叉；

• 断口微观形貌一般显示沿晶分离，也可能是穿晶的；

• 高强钢沿晶面平坦，没有附着物，有时可见白亮的、不规则的细亮条，这种线条是晶界最后断裂位置的反映，并存在大量的鸡爪形的撕裂棱；

• 氢脆断裂微观形貌在断口的不同区域呈现过渡变化特征与裂纹的应力强度因子K有关；

• 裂纹开裂早期，K值较低，断口呈晶间断裂。裂纹再向前扩展，在中等K值下，断口微观形貌呈现为解理开裂特征，并逐渐向准解理与韧窝形貌转变；在K值很大时，断口一般呈现穿晶+韧窝或韧窝形貌。

氢脆断裂的判据

• 紧固件是否是延迟断裂；

• 紧固件工作应力主要是拉应力，没有使用的紧固件一般是受到较大的残余应力作用所致；

• 氢脆断裂的临界应力极限σH随着材料强度的升高而急剧下降；一般钢硬度低于22HRC时不发生氢脆断裂而产生鼓泡；

• 起裂区微观呈沿晶形貌，晶面可见鸡爪状撕裂棱和晶间二次裂纹；

• 氢含量并非为发生氢脆的唯一判决，受多种因素共同影响，对于高强度紧固件，甚至氢含量在低于1ppm的情况下也会发生延迟断裂。

案例解析1：

某规格12.9级高强度螺栓发生氢脆断裂，断裂位于头杆连接过渡部位。

断面不同区域呈现出随应力强度因子K的变化而导致的不同微观特征，有沿晶→准解理→韧窝。

• 表面增碳导致硬度超限，且基体硬度较高（表面495HV0.3）；

• 圆角过渡不流畅，加剧了应力集中；

• 渗磷层导致了表面脆性，增加了缺陷产生的风险；

• 氢含量约1.2ppm。

案例解析2：

某规格10.9级风电螺栓在安装完成后部分螺栓发生断裂，螺栓表面可见白锈痕迹，断裂位于头杆过渡部位。

• 表面增碳导致硬度偏高；

• 热处理导致的组织不均匀对氢致破坏存在促进作用；

• 阴极消耗型保护性涂层发生破坏并腐蚀时会形成原电池产生氢，这些氢将被基体吸收，进一步促进氢致破坏。

应力腐蚀

应力腐蚀是指材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下发生的脆性断裂现象，没有明显的塑性变形痕迹。

产生应力腐蚀的条件

• 拉伸应力：引起应力腐蚀的应力为拉应力，材料不同、环境不同时所需要的拉伸应力大小不同。能引起金属产生应力腐蚀的最小应力称为应力腐蚀开裂的临界应力，常用σscc表示；

• 特定腐蚀环境：如Cl-，H+，H2S，SO42-等；

• 材料应力腐蚀敏感性：纯金属不发生应力腐蚀破坏。但几乎所有的合金在特定的腐蚀环境中，都会引起应力腐蚀裂纹。

应力腐蚀宏观特征 

• 断口平直，与正应力垂直；

• 源区、扩展区通常色泽暗灰，常有腐蚀产物覆盖，离源区越近，腐蚀产物越多；

• 断口有时也会出现类似疲劳弧线的特征；

• 裂纹源处常有腐蚀产物或点蚀坑—即应力腐蚀裂纹源于点蚀 、晶间腐蚀等化学损伤缺陷。

应力腐蚀微观特征

• 断口微观形态：解理或准解理、沿晶断裂或混合型断口；

• 大多数应力腐蚀断面腐蚀产物呈泥纹花样，存在腐蚀性元素；

• 微观断口上常见二次裂纹，沿晶界面上一般存在腐蚀沟槽或 细小的蚀坑，晶粒外形轮廓常因腐蚀失去其清晰度，晶界加宽；

• 裂纹扩展过程中会发生裂纹分叉现象。

影响紧固件发生应力腐蚀失效的因素

★ 材质因素：杂质元素在晶界偏析能引起腐蚀速率的局部差异 ，在裂纹与夹杂物相遇时，夹杂物能够引起裂尖的化学变化；

★ 受力状态：应力来自工作应力、残余应力、结构应力、腐蚀 产物的楔入应力。构件表面或内部的缺陷、几何形状的变化 、截面变化等都会使局部应力提高，加速应力腐蚀；

★ 环境因素

案例解析：

某动车组夹钳紧固螺栓在服役过程中发生断裂失效，螺栓规格为M16×120，性能等级为12.9级。

螺栓表面存在明显的腐蚀痕迹：

断面存在明显的平坦区域和瞬断区，平坦区域可见明显的放射痕迹，并收敛于断口边缘螺纹牙底部位，断口发生不同程度锈蚀，表面覆盖一层腐蚀产物。

裂纹源区可见腐蚀产物堆积，能谱分析存在S，Cl等腐蚀性元素。

慢应变应力腐蚀试验

10.9级螺栓的应力腐蚀断口形貌（空气中）

可见材料在拉应力作用下应力腐蚀敏感性对强度和环境介质较为敏感。

不适当的提高材料强度，导致材料对介质非常敏感，增加应力腐蚀断裂风险。

案例解析：

安装于某商场地下停车厂，用于紧固150mm口径自来水管连接部位抱箍的蛋颈螺栓在服役过程中发生断裂。

断面可见腐蚀、能谱分析存在腐蚀性元素，清洗后可见明显海滩纹特征。

源区表面可见腐蚀凹坑，断面微观存在明显条带、沿晶、准解理形貌。

疲劳断裂

• 紧固件疲劳破坏的应力往往远低于其静载荷下的强度极限，属于脆性断裂，是紧固件最常见、危害最大的失效形式；

• 紧固件特有的螺纹结构是产生疲劳的“先天因素”；

• 紧固件在其服役过程中不可避免会承受交变载荷作用；

• 疲劳失效最常见的位置：螺母垫圈面对应的螺纹处、螺纹与螺杆过渡处，或螺栓头和螺杆圆角过渡处。

疲劳断裂宏观特征

• 疲劳弧线、海滩纹、贝壳纹

• 放射棱线、轮辐台阶

疲劳断裂微观特征

• 疲劳条带：不同材料、组织状态，条带微观特征有所差异；

• 最终断裂区面积的大小取决于载荷的大小、材料的性质、环境介质等因素。

疲劳断裂的判断

疲劳源区及扩展方向判断：断口表面的光泽、粗糙度、棱边 、疲劳台阶的起源位置、疲劳弧线的密度与弧心方向。

加载类型判断

拉拉或拉压

影响紧固件疲劳性能的因素

• 应力计算不准确而造成局部应力过大；

• 对紧固件承受的载荷类型及大小与选用的材料的主要抗力指标不匹配而造成承受应力过大；

• 某些偶然突发因素使紧固件承受的载荷异常增大，如装配不到位导致承受异常的冲击载荷或附件弯矩。

• 结构设计的影响

• 材质冶金因素的影响

• 表面完整性的影响

• 表面完整性的影响

• 应力集中的影响

• 环境因素影响

案例解析：

某规格的10.9级螺栓在服役过程中发生疲劳断裂失效。

从低倍形貌可见断面沿螺纹牙底周向存在多处起裂源，整个断面基本全为裂纹扩展区，几乎未见瞬断区，裂纹扩展区可见沿不同方向扩展的“海滩纹”。

螺栓存在脱碳现象及标准中不允许的折叠缺陷。

起裂区正好位于折叠部位

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