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螺栓连接最常见的断裂失效方式为螺栓的疲劳断裂以及过载断裂，通过螺栓连接安全评估以及在线监测可以提前规避绝大部分的事故发生。由于螺栓连接安全评估及螺栓健康状态在线监测尚未在各行各业广泛推广和应用，螺栓连接失效的安全事故时有发生。此外，螺栓的氢脆现象、质量缺陷、工艺离散等也会导致螺栓的意外断裂。螺栓的断裂失效往往更能引起人们的关注，不得不在事故的失效分析中查找原因、总结经验。 断口分析无疑是失效分析中最基本、最重要的方法之一。所谓断口是指构件在应力作用下分离为互不相连的两个或多个部分，在断裂处暴露出的自然表面。断口的形貌特征是裂纹扩展留下的痕迹，保留大量的失效特征，为判别断裂原因提供有力证据。断口分析分为断口宏观分析和微观分析两种。断口宏观分析是用肉眼、放大镜（约10倍）或低倍显微镜（5-50倍）对断口表面的宏观形貌进行直接观察和分析。利用断口宏观分析可以判断断裂的性质、确定裂纹源位置和裂纹扩展路径。断口微观分析是在宏观观察的基础上，对裂纹源、裂纹扩展区及最终断裂区进行微观的检验，借助光学显微镜（50-500倍）、透射电子显微镜（1000-40000倍）或扫描电子显微镜（20-10000倍）等对断口的微观形貌进行观察和分析。微观分析主要对断裂起点附近进行细致的观察研究，进一步判断和证实断裂原因和断裂机制。常见断裂机制的典型微观形貌包括沿晶脆性断裂、解理断裂、准解理断裂以及韧窝断裂等等。本文主要介绍螺栓断口的宏观形貌分析。通过断口宏观形貌分析可以初步判断断裂的类型和性质，找到裂纹源的位置和裂纹扩展的路径，并初步判断可能引起破坏的原因，为断口的微观分析或其他检测提供依据、指明方向。断口的宏观形貌分析是一种简单又实用的分析方法，不需要借助昂贵的试验设备，仅靠肉眼或简易放大镜就可以对螺栓失效进行定性的分析，获取大量有价值的信息，非常适合广大的普通螺栓设计师和爱好者。 图1-1给出了单轴拉伸试样的典型杯锥状断口，在理想情况下，其断裂面划分为三个明显不同的区域，由内到外分别为纤维区、放射区和剪切唇区。断口中心杯状区域为纤维区，表面粗糙呈纤维状；最外圈锥状区域为剪切唇区，断面倾斜，断口光滑；中间为放射区，存在由中心纤维区向外呈放射状分布的微裂纹。三个区域实际上是裂纹形成区、裂纹扩展区和剪切断裂区。
通常金属材料的断口会出现这三种典型形貌特征。但有的断口只出现两种甚至一种形貌特征，这与材料的种类、强度、环境温度、受力状态及内部微观结构等因素相关。通常来说纤维区作为韧性断裂的标志，放射区作为脆性断裂的标志：若断口上纤维区较大，说明材料的韧性较好；若断口上放射区较大，则表明材料的脆性较大。 由于剧烈局部塑性形变引起的断裂称为韧性断裂，其断口称为韧性断口。韧性断裂的最大特点是材料在断裂过程中出现明显的塑性变形，通常是材料受到较大负载或过负载引起的断裂。韧性断口最突出的宏观形貌特征是具有纤维状标记，呈暗灰色，凹凸不平的外貌。剪切唇是韧性断口的另一个宏观形貌特征。剪切唇区域往往呈现倾斜断面，断口较光滑，类似鹅毛状形态。例如拉伸试样的杯锥断口，可明显地观察到剪切唇形貌特征，表征断裂最后分离的部分。韧性断口最突出的宏观标记是具有较大的塑性形变特征，往往在拉伸试样表面上可观察到缩颈现象。典型的韧性断口如图1-2所示。 
通常情况下，正应力作用下的韧性断裂源区位于纤维区的中心，裂纹的扩展方向是由纤维区指向剪切唇区，放射区的放射条纹即为裂纹扩展的路径。 脆性断口从宏观上看无明显塑性变形，匹配面吻合良好，断口平齐而光亮，且与正应力相垂直，断口上常有人字纹或放射条纹，纤维区和剪切唇区非常小，甚至没有。典型的脆性断口如图1-3所示。 
脆性断口的裂纹源可以通过放射区的形貌来判断，通常放射状条纹收敛处为裂纹源位置，裂纹扩展方向沿放射状条纹背离裂纹源，放射状条纹是材料在较大应力作用下一次性快速断裂时留下的痕迹。脆性断裂金属构件一般不会出现明显塑性变形，通常毫无征兆地突然发生，相比韧性断裂，脆性断裂的危害更大。完全脆性断裂和完全韧性断裂比较少见，通常是脆性和韧性的混合型断裂。常见的螺栓失效模式包括螺栓疲劳断裂、螺栓过载断裂、氢脆断裂以及应力腐蚀断裂等等。下面将其断口的宏观形貌进行介绍。据不完全统计，螺栓断裂失效中约有80%的属于疲劳断裂失效，通常发生在长期服役期间。疲劳断裂最基本、最重要的信息均保留在断口上，螺栓疲劳断裂的典型断口的宏观形貌如图2-1所示。疲劳破坏的断口通常无显著的塑性变形，一般归为脆性断口。疲劳断口的宏观形貌特征为断口呈现三个明显的区域：裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区，如图2-2所示。
裂纹源区一般位于表面存在凹槽、缺陷或者应力集中的区域，是一个光滑、细腻的细小区域。在交变载荷作用下，裂纹两侧被反复挤压而变得平坦光滑。断面的扩展区较平坦，具有明显的疲劳弧线，称为贝纹线（或海滩波纹线），贝纹弧线以裂纹源为中心呈波浪状向前扩展，是裂纹间歇性扩展留下的痕迹，在微观上可以观察到疲劳辉纹，这是判断疲劳断裂的重要特征。瞬断区位于裂纹源的对侧，当裂纹扩展至一定程度后，零件剩余截面积不足以抵抗外力的作用而产生瞬时断裂。断口的瞬断区粗糙且不规则，存在放射状条纹和剪切唇。贝纹线是疲劳断口最突出的宏观形貌特征，是鉴别疲劳断口的重要宏观依据。如果在宏观上观察到贝壳状条纹时，在微观上观察到疲劳辉纹，可以判别这个断口属于疲劳断口。螺栓拉伸断裂、扭转断裂以及剪切断裂是螺栓过载断裂的常见形式。常见的过载断口如图2-3所示。 
拉伸断裂明显特征就是颈缩现象，有明显的塑性变形，螺栓拉伸断裂通常出现在预紧阶段，譬如对于变截面螺栓，施加螺栓拧紧力矩时未考虑最小截面，细杆在较大预紧力作用下被拉断，或螺纹副润滑条件优于预期，在设计拧紧力矩作用下螺栓轴力增大，造成螺栓断裂。在服役期间若轴向工作载荷超载也会造成螺栓的拉伸断裂。扭转断裂的断面粗糙，并可见明显塑性变形痕迹和扭转痕迹，螺栓扭转断裂通常发生在装配阶段，譬如由于螺纹幅摩擦系数过大或被卡死，在拧紧扭矩作用下，螺栓容易被扭断。螺栓发生过载断裂通常是由于外部载荷超过了螺栓的承载能力，譬如工作载荷超预期、安装工艺不合理或螺栓性能不达标等。氢脆是螺栓尤其是高强度螺栓最常见的失效形式之一。氢脆又称氢致断裂失效是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。氢脆多发生于螺纹牙底或头部与杆部过渡位置等应力集中处。断口附近无明显塑性变形，断口平齐，结构粗糙，氢脆断裂区呈结晶颗粒状，一般可见放射棱线。色泽亮灰，断面干净，无腐蚀产物。典型氢脆断口的宏观形貌如图2-4所示。 
氢脆的机理学术界尚存争议，普遍认为氢脆发生的主要原因在于氢原子很小，可以渗透到固体金属内部，金属中的氢原子，随着时间的推移，不断向夹杂、晶界、位错等缺陷处移动，最终结合成氢分子并不断聚集，从而在材料内部产生巨大的内压力。在应力远小于材料屈服强度的条件下，发生延时破坏，这种破坏在材料强度高、应力集中较严重的零件中表现尤为显著。高强度碳钢螺栓以及钛合金螺栓容易发生氢脆破坏，奥氏体不锈钢螺栓及铝合金螺栓发生氢脆的概率相对较少。宏观上判断氢脆的依据除宏观断口形貌外，还可以考虑以下三个方面：1）氢来源，螺栓表面处理是否包括酸洗或电镀，服役环境是否存在环境腐蚀等；2）局部应力集中，氢脆通常发生在螺牙底部、螺纹终止处以及过渡圆角处等应力集中区域；3）延时断裂，氢脆破坏通常发生在螺栓拧紧后的数小时内。当然还需要通过微观分析进一步确认，氢脆断口典型微观特征包括冰糖状沿晶断裂形貌，晶面存在“鸡爪”形条纹，晶间存在二次裂纹等等。氢含量测定也是一种必要手段。应力腐蚀也属于静载延滞断裂，其断口宏观形貌与一般的脆性断口相似，断口平齐而光亮，且与正应力相垂直，断口上常有人字纹或放射花样。裂纹源区、扩展区通常色泽暗灰，伴有腐蚀产物或点蚀坑，离裂纹源区越近，腐蚀产物越多。应力腐蚀断面最显著宏观形貌特征是裂纹源表面存在腐蚀介质成分。典型应力腐蚀断口的宏观形貌如图2-5所示。 
常见应力腐蚀的机理是螺栓在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏，破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极，阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。在远低于材料屈服强度的拉应力作用下，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直至断裂。 应力腐蚀破坏是螺栓常见的一种失效模式。发生应力腐蚀需要具备三个条件：1）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；2）特定腐蚀环境，譬如低碳钢螺栓容易发生硝脆，奥氏体不锈钢螺栓容易发生氯脆；3）外部工作应力，断裂部位通常为螺牙底部或螺纹终止处等应力集中区域。除上述断裂失效形式外，螺栓断裂失效还包括淬火裂纹以及蠕变延时断裂等。这两类断裂宏观上可归为脆性断裂，其断口符合脆性断口特征。断口的形貌特征是裂纹扩展留下的痕迹，保留了大量的失效特征，为判别断裂原因提供有力证据。螺栓断口宏观形貌分析是一种最经济实惠、最快捷的螺栓失效模式判断方法，可以不借助任何分析仪器，在现场对断口特征明显的螺栓失效模式进行判断，第一时间提出针对性的纠正和预防措施。作为螺栓接头设计和分析的普通设计师或爱好者，螺栓断口的宏观形貌分析是一项必备的专业技能，也是一项有条件掌握的专业技能。当然，宏观观察很难获得断口细微结构信息，它仅仅是一种最初步、最基础的方法，单靠其来替代断口分析是不全面、不可靠的。螺栓失效断口的宏观形貌分析只能提供合理的推断和定性的猜测，还需要借助高精的分析仪器进行微观的验证以及定量的测量。
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