我国铁路复杂的运营条件和高强度的运输负荷下，保障运输安全的任务十分艰巨，随着铁路六次大提速、青藏线的开通运营，特别是高速铁路的快速发展，对行车安全提出了新的更高的要求。
重载或过载，国内外区别较大；启动和刹车频繁，惯性力和摩擦力的影响较大；正反方向行驶，双向受力；速度快，振动剧烈；转弯和坡道，离心力明显；分布区域大，温度差异明显；环境复杂：酸雨、沙尘、潮湿、闷热、冰雪、低温；焊接件多，束缚应力明显。
螺栓是如何断裂的？
●根据螺栓断口情况，判断出断口类型。
泰坦尼克号打捞出的船板性能检验
科学家在研究泰坦尼克号沉没原因时，将打捞出的船板进行低温冲击性能测试（温度为-2℃，接近于撞击冰山时的海水温度），通过冲击断口宏观形貌对比检查不难发现备用件断口几乎没有塑性变形，属于脆性断口，低温冲击性能远低于现代船板。
通过进一步研究发现打捞船板是采用酸性平炉生产，其硫磷含量很高，磷含量高达0.069%，这是导致其低温脆性的重要原因，这样也能够解释泰坦尼克号撞击冰山后船板裂纹快速扩展的现象。
螺栓常见的断口形状
不同应力水平下的螺栓疲劳断口形貌
1、断口平滑区为疲劳扩展区，扩展区存在具有疲劳特征的贝纹线
2、断口粗糙区为最终撕裂区，应力水平越高，撕裂区面积越大
3、疲劳源常常位于最终撕裂区对面位置。应力集中系数越大，疲劳源多次裂纹交汇台阶越明显，此外疲劳贝线向撕裂区收敛。
●利用断面氧化程度寻找断裂源
在受环境因素影响较大的断裂失效中，检验端口各个部位的氧化程度，其中氧化程度最为严重者为断裂源头。因为氧化严重处说明断裂程度时间较长，而氧化轻的或未被氧化处为最终断裂形成的断口。
疲劳源的寻找方法
1、断口平滑区为疲劳扩展区，扩展区存在具有疲劳特征的贝纹线
2、断口粗糙区为最终撕裂区，应力水平越高撕裂区面积越大
3、疲劳源常常位于最终撕裂区对面位置。应力集中系数越大，疲劳源多次裂纹交汇台阶越明显，此外疲劳贝线向撕裂区收敛。
按断口“人”字形确定源区实例
●螺栓断裂源附近扫描电镜形貌
紧固件失效案例
一、某地铁齿轮箱吊杆螺栓断裂
列车转向架结构
吊杆螺栓装配位置
断面扫描电镜形貌
螺牙截面金相组织
配合垫片形貌及金相组织
二、电镀锌齿轮箱杆螺栓断裂
断口形貌
断口微观形貌
化学成分
断口截面低倍形貌
断口截面金相检查
结合螺栓制造工艺、检查结果和现场情况，综合分析送检螺栓在装配前已存在原始裂纹，原始裂纹形成的原因可能与如下因素有关：
1、原材料夹渣
2、淬火裂纹
3、氢致裂纹
4、螺栓头部墩制裂纹
①螺栓材质检查结果较好，断面未见夹渣，因此可以排除原材料夹渣的影响
②螺栓淬火裂纹一般形成于淬火冷却过程中，淬火介质会进入裂纹内部，然后再经过后续的高温回火，该温度虽然不足以在裂纹两侧形成脱碳层，但会在裂纹两侧形成高温氧化填充物，再送检断口截面和二次裂纹内部未见明显高温氧化填充物，不符合淬火裂纹特征。此外，螺栓淬火裂纹一般在表面处于开口状态，在后续电镀锌的过程中会有镀锌溶液渗入，但对送检螺栓断面进行能谱测试，未发现锌元素残留，综上特征，可以排除淬火裂纹的影响。
③螺栓氢致裂纹形成原因一般与酸洗或电镀工艺不当导致一定量的氢原子渗入基体，氢原子在拉应力驱动作用下向拉应力集中处或缺陷处聚集，并形成氢分子并在聚集区域形成较大的要求，扩散一段时间后聚集处压强大于材料强度从而导致断裂。因此，氢脆一般具有延迟性的特点，而且必须同时满足氢含量较高和存在拉应力这两个条件才可能发生。送检螺栓在刚施加扭矩时就发生了断裂，且断口表面大部分区域存在黄褐色锈蚀斑，可以排除在安装过程中发生氢脆的可能性。送检螺栓从出厂到安装前并不存在施加拉应力载荷的环节，且螺栓经高温回火其热处理应力已经释放，不具备正常螺栓（内部无异常缺陷）在放置过程中形成大面积氢脆断裂的应力条件。
④送检螺栓墩头工艺为使用感应线圈将圆钢加热至850±50℃后进行墩打，当螺栓头部墩打工艺不当时（如：加热温度偏低，重复感应加热等），容易在头杆部过渡区附近出现墩制裂纹，裂纹呈横向分布，并呈沿晶扩展，一般位于螺栓中间位置，如果裂纹没有露出表面，在随后的热处理过程中氧气和淬火介质无法进入裂纹内部，在裂纹两侧不会出现脱碳层和高温氧化覆盖物。送检螺栓断头口截面未见脱碳层，且二次裂纹内部未见明显高温氧化覆盖物，另外二次裂纹走向和流线位置一致，符合墩制裂纹特征。
结论：
1、送检螺栓在装配前已存在原始裂纹；
2、送检螺栓原始裂纹符合螺栓头部墩制裂纹特征，送检螺栓在墩头工艺中产生内部裂纹，并在后续电镀工艺中诱发开裂，导致内部裂纹和表面贯通，在随后运输和库房保存过程中断面发生锈蚀，在装配过程中发生断裂。
3、内部裂纹降低螺栓有效承载面积，在装配过程中容易发生断裂。
模拟验证
改善措施
1、研究不解体螺栓裂纹超声探伤工艺，对已装配的同批次螺栓进行缺陷检测排查；
2、严格控制螺栓头部墩制管理工艺。
三、风电增速齿轮箱太阳轮外端盖螺栓断裂
疲劳源区微观形貌
螺牙截面金相组织
从折叠缺陷处萌生的疲劳裂纹
改进措施
1、加强螺纹成形的工艺控制，特别是滚压螺纹模具的使用寿命监管，防止滚压螺纹时产生折叠缺陷。
2、加强热处理过程控制，防止螺纹表面脱碳，最好采取先调质后滚压螺纹的工艺，这样不仅可以有效避免螺纹表层脱碳，还可以增加牙底的残余压应力，提高疲劳寿命。
3、螺栓安装时要控制安装预紧力并涂抹螺纹防松胶，防止出现过紧或过松现象。
4、选用35CrMo、42CrMo等韧性更好的材料代替40Cr。
5、优化太阳轮外端盖设计，避免该区域螺栓承受交变载荷
四、柴油机缸盖螺栓氢脆断裂
断口扫描电镜形貌
螺栓表面金相组织
螺栓脱碳和增碳形貌对比
轨道交通高轻度螺栓常见失效原因
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