螺栓连接失效形式分类

螺栓疲劳断裂是材料在低于其抗拉强度的交变应力作用下，经过多次循环载荷后发生的脆性断裂。螺栓在动态载荷（如振动、冲击、温度变化）下，局部应力集中区域逐渐产生微裂纹，最终扩展至断裂。

断口形貌特征：

• 疲劳源区(多源性)
  

• 裂纹扩展区(非对称)
  

• 最终断裂区(条带状)
  

图1 疲劳断裂-断口形貌

螺栓疲劳断裂影响因素：

螺栓/螺母旋合第一扣应力集中系数最大，易发生疲劳断裂。

外界载荷幅值增大，螺栓疲劳寿命降低。

在被连接件分离的情况下，低预紧力条件下，螺栓疲劳寿命低。

图2 螺栓应力集中系数

螺栓氢脆断裂是一种由氢原子侵入金属材料内部引发的脆性断裂现象，常见于高强度螺栓（如8.8级及以上），尤其在电镀、酸洗或腐蚀环境中易发，一般在组装后48h内发生。

断口形貌特征：

域裂纹源区呈结晶颗粒状,颜色呈暗灰色裂纹源区从螺纹的根部开始，沿着螺纹旋转的方向开裂;

裂纹源区星沿晶断裂(晶界间存在微裂纹)形貌，并存在沿晶二次裂纹，晶粒轮廓鲜明，呈冰糖状，晶粒表面存在大量的鸡爪痕。

图3 氢脆断裂-断口形貌

螺栓氢脆断裂四大成因：熔炼过程未完全去氢、酸洗时引入氢、外部环境引入氢、电镀等表面处理引入氢。

旋转松动：螺栓因振动或动态载荷发生旋转，导致预紧力下降。

松动原因一：由于外界振动或冲击使螺纹接触面产生微小位移，摩擦力不足以阻止旋转而导致螺纹间的相对滑动；

松动原因二：接触面的微动磨损或螺纹损伤降低摩擦系数，加剧松动。

典型场景：

周期性振动环境：如发动机、泵体螺栓。

旋转设备：风扇、齿轮箱等。

非旋转松动（横向松动）是螺栓未旋转，但预紧力因横向载荷或材料形变而下降。

松动原因：

材料缺失：接触面发生微动磨损；

横向滑移：横向振动导致连接面间微小滑动，摩擦分布不均，预紧力逐渐丧失；

材料蠕变/松弛：高温或长期静载下，材料发生塑性变形，预紧力自然衰减。

图4 非旋转松动失效机理

典型场景：

横向交变载荷：铁轨螺栓、风力发电机塔架。

高温环境：化工管道法兰螺栓。

图5 通用防松方法

螺纹咬死是螺纹紧固件（如螺栓、螺母）在安装或拆卸时，因摩擦热导致接触面材料粘连或冷焊，使螺纹卡死无法 正常松动的现象，常见于不锈钢、铝合金等软质或同种金属材料之间。

图6 螺纹咬死剖面图

螺纹咬死通常有两种原因：一种是因为腐蚀、异物进入、螺纹配合间隙过小而导致的螺纹间隙减小至零；

另外一种是由于着螺纹表面损伤、螺纹表面粗糙及加工质量差、螺栓和螺母材料成分相同、高温服役环境、螺纹界面摩擦系数过大、扭矩过大、装配速度过快、螺栓与螺母间的分子运动等导致的螺纹界面粘。

螺纹咬死可能彻底损坏紧固件，需切割或钻孔取出，提前预防是关键。

预防螺纹咬死措施

使用抗咬合剂：如二硫化钼、石墨润滑剂。

异种材料搭配：如不锈钢螺栓配镀锌螺母。

控制安装速度：低速拧紧，避免摩擦升温。

优化设计：增大螺纹间隙，选择抗咬合涂层（如镀镍、特氟龙）。

螺栓腐蚀是金属螺栓因环境、化学或物理因素导致表面或内部结构破坏的现象，可能引发连接失效、安全隐患等问题。

常见腐蚀类型

均匀腐蚀：表面均匀减薄，常见于酸性或强氧化环境。

点蚀（局部腐蚀）：局部形成孔洞，多由氯离子或硫化物引发。

电偶腐蚀：异种金属接触时，活泼金属（如铁）作为阳极被加速腐蚀。

缝隙腐蚀：螺栓与螺母间微小缝隙内积液，形成缺氧区加速腐蚀。

应力腐蚀开裂：隐蔽性强，可能导致螺栓突然断裂。

图7 螺栓腐蚀

目前螺栓防腐的预防措施

选择耐腐蚀材料：如不锈钢、钛合金、双相不锈钢等，这些材料在特定环境下具有更好的耐腐蚀性能。

表面处理：涂覆防腐蚀涂层（如油漆、陶瓷涂层、热浸镀等）或使用防腐蚀润滑剂（如黄油或锂基润滑脂）可以有效隔绝腐蚀介质。

包覆材料：采用包覆材料（如环氧树脂、聚氨酯等）进行长期保护，可延长螺栓的使用寿命。

定期检查和维护：通过定期检查和清洁螺栓表面，及时清除腐蚀产物，防止腐蚀扩散。

设计改进：优化螺栓结构设计，减少应力集中，避免因应力导致的裂纹扩展。