断裂还是松动后被拉断
螺栓失效分两类。一类是螺栓本体断开，查的是断口和材料；另一类是螺栓没断，但松了、滑牙了或夹紧力不够，查的是装配和预紧。
两类问题经常连在一起：预紧力不足时，螺栓承受的交变载荷变大，最后疲劳断裂。所以断裂分析同样要核对预紧，只是起点放在断口上。没有断的松动、滑牙问题，见螺栓松动、滑牙与预紧力异常分析。
四种断裂机理的断口特征
同一个断口上会同时出现两种特征。例如氢脆裂纹扩展到一定深度后，剩余截面在载荷下瞬间断开，断口外圈是沿晶，中心是韧窝。定性时以起源区的特征为准。
| 机理 | 断口特征 | 常见条件 |
|---|---|---|
| 疲劳 | 断面平整，有疲劳弧线和放射纹，起源多在螺纹根部；最终断裂区较小 | 预紧力不足、偏心受载、振动载荷、螺纹根部缺陷 |
| 拉伸过载 | 明显颈缩，杯锥状断口，电镜下为韧窝 | 载荷超过螺栓抗拉强度，或拧紧时被轴向拉断 |
| 扭转过载 | 断面垂直于轴线，有旋转摩擦痕迹，断口附近螺纹扭曲 | 拧紧扭矩过大、螺纹咬死、摩擦系数异常 |
| 氢脆 | 几乎没有塑性变形，起源区为沿晶断口；常在拧紧后数小时到数天内断裂 | 高强度螺栓经酸洗、电镀后除氢不充分 |
| 应力腐蚀 | 裂纹从表面腐蚀处起裂并有分叉，断口附着腐蚀产物 | 持续拉应力加上特定腐蚀介质，例如潮湿含氯环境 |
断在哪个位置，重点查什么
螺母端第 1 扣啮合螺纹承担的载荷比其他各扣大，又处在牙底缺口处，疲劳断裂多发生在这里。
| 断裂位置 | 常见机理 | 重点核查 |
|---|---|---|
| 与螺母啮合的第 1 扣螺纹 | 疲劳 | 预紧力、螺母与螺栓强度匹配、牙底圆角 |
| 螺纹收尾处 | 疲劳或过载 | 收尾长度、螺纹加工方式、该处是否正好在被夹件结合面 |
| 头杆过渡圆角 | 疲劳或氢脆 | 圆角半径、头部支承面平整度、头部成形折叠 |
| 光杆段 | 过载或应力腐蚀 | 实际载荷、表面腐蚀、截面是否偏小 |
| 拧紧过程中断在螺纹段 | 扭转过载 | 拧紧工艺、扭矩值、螺纹润滑和配合 |
按 GB/T 3098.1 核对机械性能
GB/T 3098.1-2010 规定了碳钢和合金钢螺栓、螺钉、螺柱各性能等级的机械性能。除抗拉强度和硬度外，还有保证载荷、楔负载、冲击吸收能量、脱碳和增碳、再回火试验等要求。
断裂分析按断口指向选做其中几项：怀疑脱碳，做螺纹截面硬度和金相；怀疑回火温度不够，做再回火试验；怀疑头部与杆部连接强度不足，做楔负载试验。
下表摘录断裂分析中常见等级的抗拉强度和维氏硬度要求。
| 性能等级 | 公称抗拉强度 | 最小抗拉强度 | 维氏硬度 |
|---|---|---|---|
| 8.8（d ≤ 16 mm） | 800 MPa | 800 MPa | 250–320 HV |
| 8.8（d > 16 mm） | 800 MPa | 830 MPa | 255–335 HV |
| 10.9 | 1000 MPa | 1040 MPa | 320–380 HV |
| 12.9 | 1200 MPa | 1220 MPa | 385–435 HV |
氢脆和应力腐蚀怎么确认
氢脆和应力腐蚀的断口都会出现沿晶特征，单看形貌分不开。区别在氢的来源和断裂时间。氢脆的氢多来自酸洗、电镀等制造工序，断裂在装配后不久发生。应力腐蚀需要介质长期作用，断裂多在服役一段时间后，断口和裂纹内有腐蚀产物。
确认氢脆时，核对表面处理工艺和除氢记录，用截面硬度确认材料强度水平。ISO 15330 的预载荷试验把同批螺栓拧紧并保持载荷，看是否开裂，用来确认批次的氢脆倾向。需要这项试验的，询价时说明，受理时确认方法和排期。EDS 测不出氢，断口能谱只用来判断腐蚀产物和异物。
确认应力腐蚀时，分析裂纹内的腐蚀产物和服役介质，观察裂纹是否分叉，并比较同一环境中其他螺栓的状态。
检测项目
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 宏观检查 | 断口分区、起源位置、颈缩和变形，螺纹和支承面接触痕迹 |
| 断口电镜 | 疲劳辉纹、韧窝、沿晶或解理特征，起源处夹杂和缺陷 |
| 化学成分 | 核对钢种和主要合金元素含量 |
| 金相 | 组织、脱碳和增碳、螺纹折叠、头部金属流线 |
| 硬度 | 表面和心部硬度，截面硬度梯度 |
| 力学性能 | 实物楔负载、保证载荷，或机加工试样拉伸和冲击 |
| 表面处理 | 镀层种类和厚度，镀层下有无腐蚀或微裂纹 |
送样和资料
断裂时间对判断机理很关键。拧紧时断多为扭转或拉伸过载，装配后几天内断要重点排查氢脆，运行较长时间后断多为疲劳或应力腐蚀。
- 断裂螺栓的两端，断口朝上分别装袋，不擦拭、不对拼
- 配套的螺母、垫圈，以及被夹件螺纹孔的照片
- 同批次未使用的螺栓 3–5 件，用于性能对照
- 螺栓规格、性能等级、表面处理和供应商批次
- 拧紧方式、扭矩或转角要求，以及实际拧紧记录
- 断裂时间：拧紧时、装配后几天内，还是运行一段时间后
- 工况：载荷类型、振动、温度和接触介质
报告内容
- 断口宏观和电镜照片，标出起源、扩展和最终断裂区
- 成分、金相、硬度和力学性能数据，与 GB/T 3098.1 或图纸要求逐项对照
- 断裂机理判断及依据
- 根源分析：材料、热处理、表面处理、装配预紧、设计或工况
- 改进建议，例如调整拧紧工艺、更换性能等级或表面处理、增加除氢工序
用到的设备
金相显微镜及体视显微镜
金相制样系统
场发射扫描电镜及能谱
宏观硬度试验机
自动显微硬度试验机
电子万能材料试验机常用标准
- GB/T 3098.1-2010紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱
- GB/T 16823.3-2010紧固件 扭矩-夹紧力试验
- ISO 15330:1999Fasteners — Preloading test for the detection of hydrogen embrittlement — Parallel bearing surface method
- GB/T 4340.1-2024金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法
- GB/T 13298-2015金属显微组织检验方法
常见问题
螺栓断了，是螺栓质量不合格吗？
要看机理和性能数据。性能达标却疲劳断裂的，原因多在预紧不足或偏载；硬度超出等级上限、脱碳超标或沿晶断裂的，指向材料和工艺。报告把螺栓本身的问题和使用中的问题分开写。
断口已经生锈了，还能分析吗？
能。轻微锈蚀用适当方法清理后观察，起源位置和宏观特征仍能辨认。锈蚀严重时电镜下的微观特征会受影响，报告会写明哪些判断依据受限。
镀锌的 10.9 级螺栓装上第二天就断了，是氢脆吗？
这是氢脆的典型情形，要用证据确认：起源区沿晶断口、断裂时间、电镀和除氢记录、材料硬度。还要进一步确认的，同批螺栓的 ISO 15330 预载荷试验能检验保持载荷后是否开裂。
疲劳断裂的螺栓，换更高等级就行吗？
换等级解决不了根本问题。螺栓的疲劳强度随抗拉强度提高得并不多，关键在预紧力是否足够、载荷是否偏心。分析会给出预紧和结构上的改进措施。
需要送多少螺栓？
断裂螺栓的两端都要送。同一连接上其他未断的螺栓一起送更好，另附同批未使用的螺栓作对照。
螺栓断裂分析和松动分析有什么区别？
松动分析针对没有断的连接，查预紧力、扭矩—夹紧力关系和螺纹配合。断裂分析从断口出发查机理和材料。螺栓松动后发生疲劳断裂的，两项合并做。
多久出报告？
从受理样品算起，常规检测 5–7 个工作日。实物力学试验的天数在方案里另列；需要 ISO 15330 预载荷试验的，询价时说明。