疲劳呈渐进性开裂

　　裂纹可以从一些现有的缺陷开始，例如，金属中的夹杂物，或者在高应力点处，例如，凹口，并在每次加载时缓慢增长。

　　它可能需要数百万次的反复载荷(被称为应力循环)才能真正检测到裂纹。

　　随着裂纹长度的增加，剩余的材料承受着越来越大的应力，因为维持载荷的面积越来越小。当裂纹实际达到临界长度时，它会一直穿过材料，导致完全失效。

　　一个疲劳的裂缝需数年才能穿过螺栓

　　术语“疲劳失效”，经常用于描述由于持续载荷导致的零件损坏。这种疲劳的损伤相当于裂纹长度。

　　在一些关键应用中，要求使用染料渗透剂或甚至通过x射线定期检测螺栓裂纹，以确保不存在可检测裂纹。(裂纹可能存在于微观尺度上，即低于测量技术的检测阈值。)

　　螺栓是一种典型的多缺口零件，其疲劳性能将明显地受到螺栓的结构、尺寸、材料及制造工艺等多种因素的影响。与同样材料的缺口件相比，其疲劳强度通常明显偏低。

　　除螺纹外，影响螺栓疲劳性能的另外薄弱部位是螺纹与杆部的过渡处及螺栓头部和杆部的过渡圆角处。由于截面的突然变化，在这些部位也存在较高的应力集中。在此，我们列举了影响螺栓疲劳特性的10大因素，请大家看下图，以找到相应的螺栓位置。

　　影响螺栓疲劳强度的因素

　　01、螺纹表面质量

　　螺纹的表面粗糙度对螺栓的疲劳寿命影响很大。如螺纹为M6-1.0的40CrNiMo钢制螺栓，其粗糙度由0.08～0.16降低到0.63～1.35时，疲劳强度下降33%；螺纹为M12-1.5的螺栓，其表面粗糙度由0.08～0.16降低到0.16～0.32时，疲劳强度下降21%。

　　02、螺纹滚丝工序的影响

　　滚压螺纹会产生形变强化层和较高的残余压应力，对阻止疲劳裂纹的萌生和早期扩展起到很大的作用；同时，也会降低牙谷的表面粗糙度，因而有利于螺栓疲劳强度的提高。但是，如果滚压螺纹后再进行热处理，就会使上述有利因素消失。所以从改善螺栓疲劳性能的角度考虑，应在热处理后滚压螺纹。但此时存在另一个问题，即螺栓特别是高强度螺栓经过热处理后其硬度通常较高，致使滚丝模具寿命降低。此外，如果滚丝的质量不够好，在螺纹的表面或根部产生微裂纹或类似接触疲劳的剥落现象，则改善螺栓疲劳性能的效果不明显，甚至会降低疲劳性能。

　　03、螺母端面与螺纹距离远近

　　测试表明螺母端面距离起螺纹位置越近，就会导致螺栓的越早失效。这是因为螺栓起螺纹的位置通常来说都是滚制最为粗糙的地方，存在更大的应力集中。螺栓副的第一扣螺纹是应力最为集中的，让这第一扣螺纹靠近起螺纹的位置，会导致疲劳强度的下降。所以，让螺栓副的第一扣与起螺纹的地方有个2扣以上螺距的距离，会消除这个隐患。

　　螺纹牙谷形状和半径尺寸的影响。

　　04、螺纹牙纹形状和尺寸

　　螺栓受力时，螺纹牙谷处就会产生应力集中，其值在很大程度上取决于牙谷的形状。改变牙谷的形状，如螺纹的牙谷槽越平滑，应力集中就越小，疲劳强度则越高。一般而言，平底牙谷的螺纹疲劳强度最低。如以圆形牙谷代替平底牙谷，螺栓的疲劳强度便可得到提高。螺栓的尺寸也对疲劳特性有影响，直径越大，其疲劳强度越低；这对于螺栓螺纹也是同样适用的。

　　05、螺头底部的裂纹

　　疲劳裂纹通常在螺纹底部开始萌生，可是也常常在螺头底部开始。在螺头底部开始萌生的裂纹通常产生的原因是螺头过渡圆弧的直径设计不当造成的（不当的过渡圆弧直径引来的应力集中），或者是螺栓被安装在了一个倾斜的加持物上。一个很小的螺栓头部和加持物（也可以理解为螺母端面）的夹角，譬如：2度，会对疲劳强度有着难以估计的负面影响。这种现象在过去经常发生在被加持物为焊接件上（焊接件在焊接后通常会发生应力释放，结构形状会发生变化）。

　　06、应力的分布

　　落在螺母上的应力分布是不均衡的，大量载荷其实是由头几扣来承载的。所以，大量的螺栓副疲劳都是发生在螺母的头一、二扣的。所以我们可以看到，使得应力平均分布在螺栓副结合的那几扣的改进，都会提高疲劳强度的。

　　07、钢材冶金缺陷

　　有些螺栓是在冷镦或冷拔后不再进行切削加工，于是原材料的表面缺陷也就一直保留在成品零件的表面上。

　　螺栓表面的严重脱碳层是其上的一个薄弱区域，在冷镦后的滚丝过程中，由于钢材表面的变形量大，会把脱碳层大部分挤压到螺纹的顶部区域中。这种脱碳层的强度、硬度均很低，故极易发生磨损和脱扣（丝扣被剪坏）失效，并且极易成为疲劳裂纹源，造成早期疲劳失效。

　　08、改善螺栓副螺纹扣应力分布

　　对于改善螺栓副螺纹扣之间的应力分布，以来提高疲劳寿命；调查表明，也可以通过改变螺母的形貌来实现。在螺母与加持物接触的端面上，制造一个凹槽，可以提高25%的疲劳寿命。这种改进尤其适合于大尺寸螺栓。当然，还有其它方式来使得螺栓螺母结合的应力分布得以更加平均，譬如：将螺母的材质改为其它材质的，使得其弹性模量和螺栓的不同；再譬如：将螺栓和螺母的螺纹制作为不同螺距的；再或者，使用尖型的螺纹。

　　09、螺栓紧固到设计预紧力

　　在众多的案例中，使得螺栓副疲劳寿命提高的一个最为有效的手段就是：将螺栓紧固到设计预紧力。通常情况下，一个紧固到位的螺栓仅仅承载5%（甚至更少）的动载荷。因此，一个被紧固到位的螺栓对于疲劳载荷的抵抗力是很强的。这是因为交变载荷作用在螺栓上是很小的，所以在螺栓内部产生的交变应力也是很小的，通常远远低于螺栓可以承受的极限。当发生疲劳失效的时候，其中的原因十有八九都是因为螺栓预紧力没有达到设计值，进而将螺栓暴露于弯矩应力之下，进而早早导致失效。