螺栓连接紧固件的失效模式是一个在机械设计、工程分析和维护维修中至关重要的话题。失效可能引发设备停机、性能下降甚至灾难性事故。本文从螺栓连接接头应用的角度总结了螺栓连接在使用过程中常见的18种失效模式/形式。
以下是螺栓连接紧固件主要失效模式的详细分类和解释：
拧紧期间的失效形式
1.螺栓被拧断（塑性断裂）
在螺栓拧紧过程中，一般都是通过在螺栓或螺母上施加扭矩来产生夹紧力，如果夹紧力（含扭转剪切应力）过大超过了螺栓的屈服极限，螺栓就会被拧断。
主要原因：
1）螺栓强度较低
2）螺纹或端面摩擦系数很小（错误的表面涂层或润滑)
3）拧紧扭矩过大
4）使用错误的工具等。
主要特征：
螺栓在装配时在螺纹部位断裂，螺纹有明显颈缩，微观形貌可见拉伸韧窝，断口形貌呈塑性断裂特征，见下图。
2.螺纹滑扣
螺纹滑扣，也叫“滑丝”“滑牙”或“螺纹乱扣”，是指螺栓和螺母（或螺纹孔）之间的配合螺纹发生永久性塑性变形或损坏，导致它们无法有效啮合，失去紧固能力。通俗讲，就是螺丝拧不紧，也拧不松，在原地空转。
主要原因：
1）装配操作不当（最主要原因）
2）螺纹强度不足（软材质）
3）啮合长度不足
4）错误地使用了细牙螺纹（细牙螺纹自锁性好，但牙高小，强度相对低）
5）反复拆装导致螺纹损坏等。
-螺牙被剪切掉
3.螺纹烧死/咬死
螺纹咬死的本质是在巨大压力和高滑动摩擦力下，螺纹接触表面的金属发生“冷焊”（或称“胶合”）。
主要原因：
1）材料因素（最主要的原因），奥氏体不锈钢的晶格结构相近，在高压和摩擦下原子间容易相互扩散和融合。
2）润滑不足或使用错误的润滑剂。
3）拧紧速度过快，热量无法及时散发，极易发生咬死。
4）不对中或歪斜。
5）过度拧紧/扭矩过大等。
螺纹烧死
4.被连接件变形或开裂
螺栓头或螺母下的接触面压力过大，导致软质被连接件表面产生塑性变形、压出凹坑或者开裂，从而造成预紧力损失或连接失效。
主要原因：
1）被连接材质过软
2）端面接触面积太小
3）预紧力太大等。
被连接件表面被压出凹坑
5.预紧力不足
由于螺栓拧紧过程中产生的螺栓初始预紧力太小，且低于设定值时出现的现象。这是拧紧中最严重的问题，同时也很难被识别出来。是导致后续故障的源头，例如被连接件分离、螺栓疲劳断裂、被连接件产生相对滑移和螺栓松动等诸多问题。
主要原因：
1）紧固扭矩太小
2）摩擦系数太大
3）未使用润滑剂
4）螺纹咬死等。
拧紧后的失效形式
6.螺栓的塑性断裂
这是较为常见的失效形式，通常发生在应力集中的部位。当施加在螺栓上的拉伸或扭转应力（预紧力+工作载荷）超过了其材料的强度极限，导致螺栓发生塑性伸长并最终断裂。
失效形式1.螺栓安装过程中被拧断也属于此类
特征：
1）断裂过程发生明显的塑性变形
2）断口通常呈“杯锥状”，中心是纤维区，边缘是剪切唇。
3）具有金属纤维状特征、呈金属灰色、凹凸不平,显微断口呈韧窝状。
塑性断裂-杯锥状
1.纤维区 2.放射区 3.剪切唇
塑性断裂-断口明显有缩径
7.螺栓的脆性断裂
紧固件在拉伸或扭转应力作用下不发生宏观塑性变形或宏观塑性变形很小的突然断裂称脆性断裂，裂纹扩展极快。脆性断裂包括解理断裂和准解理断裂，断口分别为解理断口、准解理断口。
后面介绍的氢脆也可归为此类。
特征：
1）断口通常是粗糙的,有沿晶断裂特征。
2）准解理介于脆性和韧性之间,宏观有放射状、结晶状;微观形貌有解理台阶、撕裂脊线、舌状花样等形貌特征。
3）解理断口由许多“小刻面”所组成,断口上存在放射条纹,收敛处为裂纹源;微观形貌有河流花样、舌状花样、放射状花样等特征。
脆性断裂
注：解理断裂是金属或合金在受到外加正应力的作用时，沿着特定的低指数结晶学平面（即解理面）所发生的一种低能量断裂。这种断裂方式通常展现出脆性特征，其断面呈现出结晶状，遍布着许多强烈反光的小平面或小刻面。解理断裂是一种沿低指数晶面发生的低能量断裂，通常具有脆性特征和结晶状断面。
理解裂纹形貌
8.螺栓剪切断裂
剪切断裂是指螺栓受到轴向载荷作用时，由于抗剪强度不足而出现裂纹，最终导致螺栓横截面被剪断的现象。剪切断裂的断口形状通常呈斜切状或者波浪状，表明螺栓在断裂时受到了剪切作用。
主要原因：
1）预紧力太小
2）分界面摩擦系数太小
3）外载荷太大等。
螺栓受剪切断裂
9.螺栓的疲劳断裂
疲劳断裂是螺栓失效中最常见、最危险的模式，约占所有螺栓失效的80%-90%。对于螺栓而言，经常发生的是拉伸疲劳断裂和弯曲疲劳断裂。
螺栓在交变载荷（即使幅值远低于材料的屈服强度）作用下，在应力集中最严重的螺纹根部产生微裂纹，裂纹随着载荷循环逐渐扩展，最终发生突然的脆性断裂。
主要原因：
1）预紧力不足
2）振动载荷较大或次数较多
3）应力集中严重
4）材料缺陷等。
特征：
· 断口形貌：典型的疲劳断口分为三个区域：裂纹源、疲劳扩展区（光滑细腻，常有“海滩纹”或“贝壳纹”）和瞬时断裂区（粗糙，呈晶粒状或放射状）。
· 发生位置：几乎总是从应力集中最大的第一圈啮合螺纹处开始。
螺栓拧紧一段时间后，螺栓或垫圈突然断裂的现象，甚至放置在车间内未经触碰或不受任何载荷的情况下都会发生。这是一种延迟断裂。在10.9级以上高强度螺栓上容易发生。
主要原因：
在电镀（如镀锌、镀镉）、酸洗或特定工作环境下，氢原子渗入钢制螺栓内部。在应力作用下，氢原子在晶界或缺陷处聚集，导致材料塑性下降，在低于正常强度的应力下发生突然的脆性断裂。
特征：
1）断口通常是宏观上的平齐断口，微观上可见“鸡爪纹”或沿晶断裂特征。
2）延迟性：通常在紧固后数小时至几天内发生断裂。
11.紧固件应力腐蚀开裂
这是一种和延迟断裂相似的现象，许多材料在拉伸应力和腐蚀性环境这两个条件下将会发生，甚至在被联接件没有任何外载的情况下也会发生。在高的拉伸应力和该材料所特有的腐蚀性环境这两个条件下，裂纹得以扩展。
应力腐蚀开裂
12.螺母安装后开裂
螺母安装后或者经过一段时间的服役期，若螺母有原始裂纹（例如螺母淬火裂纹）或脱碳等其他缺陷，在预紧力及工作载荷作用下，可能会出现螺母开裂故障。
螺母开裂
13.被连接件分离
由于作用在被连接件上的拉伸载荷大于螺栓的轴向预紧力时，导致的被联接件彼此分离的现象。被连接件发生分离后螺栓上受到的外载荷将会大幅增加，会进一步导致泄漏和螺栓的疲劳断裂。在拉伸载荷的作用下，被连接件不应分离，在设计时考虑这点是非常重要的事情。
主要原因：
1）预紧力小
2）外载荷过大
3）结构设计不合理等。
14.被连接件的相对滑动
当作用在被连接件上的切向载荷大于被连接件之间因螺栓预紧力产生的摩擦力时，被连接件之间产生相对滑动。被连接件之间的滑动会导致快速旋转松动，如果相对滑动是反复多次，磨损导致非旋转松动和螺栓弯曲疲劳断裂，造成严重的后果，大大影响螺栓连接的可靠性。
主要原因：
1）预紧力太小
2）分界面摩擦系数太小
3）外载荷太大等。
15.螺栓接头的旋转松动
螺栓松动可分为旋转松动和非旋转松动。旋转松动是指内、外螺纹之间发生在松开方向的相对转动。当螺栓接头受到横向剪切载荷时，螺栓容易出现旋转松动。旋转松动的详细介绍见【螺栓基础】螺栓连接松动问题概述之旋转松动。
主要原因：
1）预紧力太小
2）分界面摩擦系数太小
3）横向剪切外载荷太大等。
螺栓接头旋转松动-标记线错位
16.螺栓接头的非旋转松动
螺栓连接中我们最担心的不是发现螺栓有旋转松动或断裂，而是表面看上去螺栓连接完好无损，连防松标记都没有错位，但实际上螺栓的预紧力已经不足了，在设备投入运行时出现故障。螺栓螺母没有相对转动（标记线没有错位），但螺栓预紧力已经不足，这种情况称为非旋转松动。非旋转松动的详细介绍见【螺栓基础】螺栓连接松动问题概述之非旋转松动。
主要原因：
1）被连接件表面磨损
2）螺栓塑性变形
3）各接触表面嵌入（在接触表面的微观凸起被塑性压溃）
4）被连接件的塑性塌陷
5）材料的蠕变
6）螺栓的热膨胀和被连接件的低温收缩等。
螺栓接头非旋转松动
17.紧固件锈蚀
紧固件由环境因素、材料特性及工艺缺陷导致在安装一段时间后出现锈蚀。锈蚀会削弱紧固件的材料性能，使其承载能力下降。例如，铁质紧固件生锈后，金属被腐蚀消耗，可能导致紧固件在承受正常负载时出现断裂或失效，进而引发设备故障甚至安全事故。
主要原因：
1）环境因素：潮湿、盐雾、高温等环境易引发锈蚀。如汽车在沿海地区或冬季使用融雪剂的环境中，紧固件易受腐蚀。
- 2）材料与设计问题：异种金属接触（如不锈钢与镀锌紧固件）形成电偶腐蚀；材料防腐等级不足或表面处理工艺缺陷（如镀层不均匀、涂层破损）也会加速锈蚀。
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紧固件锈蚀
拆卸期间的失效形式
18.螺栓无法拆卸或拆卸断裂
螺栓拆卸时可能会出现螺栓断裂现象，导致断裂螺栓很难取出。
主要原因：
1）预紧力过大：安装时预紧力过大，使螺栓长期处于高应力状态，拆卸时易因应力集中而断裂。
2）蚀或锈蚀：螺栓表面腐蚀或锈蚀，使螺纹咬死，拆卸时需施加更大扭矩，易导致断裂。
3）拆卸方法不当：拆卸时使用较大扭矩的冲击工具或暴力拆卸。
要确保螺栓连接紧固件不出现上述失效问题，需要重点关注以下三个核心点。
1）设计环节：设计出一个合理的螺栓连接结构，尽可能让被连接件承受绝大部分外载荷（95%以上），只有很少一部分外载荷作用在螺栓上。
2）制造环节：通过提高制造工艺和加强质量控制，实现紧固件及被连接本身的高合格率。
3）组装环节：螺栓拧紧时，确保一个足够高且稳定的预紧力被正确的施加到螺栓接头上。
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