紧固件是一种量大面广的基础性元件，凭借其性价比高、拆装方便、互换性好等优势，广泛应用于各类机械产品。据统计，在一部轿车上平均每车用紧固件约为3500个，种类约500种。汽车行业23%的维修问题是由紧固件松脱引起的，12%的新车存在螺纹紧固件松紧度不达标的问题[1]。可见，紧固件的质量对整车品质和可靠性有重要影响。
汽车紧固件常见的失效类型包括混料问题、疲劳断裂、热处理问题、表面处理问题、过载断裂等。其中，疲劳断裂发生频率高、预警性差，一旦发生往往造成严重后果。疲劳是金属结构中最常见的断裂形式，占断裂事故的80%以上，紧固件也不例外[2]。因此，深入研究紧固件疲劳断裂的机理、原因及预防技术，具有重要的工程实用价值。
1、 疲劳断裂的统计现状与危害根据多家汽车主机厂的数据统计，汽车紧固件在使用过程中出现的各类问题中，疲劳断裂所占比例显著。疲劳断裂发生时，紧固件外观没有明显的塑性变形，绝大多数是在无预警且不可预期的情况下发生的。疲劳断裂的位置通常集中在三个危险截面：螺纹与螺杆交汇处、螺栓头下R角过渡处、螺纹啮合的第一颗牙纹处[1]。这些部位几何形状突变，应力集中系数高，成为疲劳源的高发区域。
2 疲劳断裂机理2.1 疲劳裂纹萌生
在交变载荷作用下，紧固件表面或内部的应力集中区域首先出现微观塑性变形。当变形累积到一定程度，便形成疲劳裂纹萌生点。螺纹根部及过渡圆角处由于几何形状突变，产生较高的应力集中，成为裂纹萌生的高发区域[2]。疲劳裂纹萌生寿命与交变切应变幅、疲劳强度系数、弹性模量及疲劳强度指数等参数密切相关。
2.2 疲劳裂纹扩展
疲劳裂纹萌生后，在持续交变载荷作用下逐渐扩展。扩展过程分为三个阶段：第Ⅰ阶段，裂纹沿最大切应力方向以剪切方式扩展；第Ⅱ阶段，裂纹沿垂直于拉应力方向以张开型方式扩展，这是主要扩展阶段；第Ⅲ阶段，裂纹扩展到临界尺寸后，剩余截面无法承受载荷，发生快速断裂。
疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子范围之间呈幂律关系：
da/dN = C(ΔK)^m
其中，C和m为与材料特性有关的常数，ΔK为应力强度因子范围。该公式是疲劳寿命预测的重要理论基础。
2.3 疲劳断口特征
疲劳断裂的宏观断口无明显塑性变形，呈现脆性断口形貌，包括疲劳源区、扩展区和瞬断区。以某35CrMo材质10.9级高强度螺栓为例，该螺栓因装配预紧力不够，在使用期间受到交变载荷作用而发生疲劳断裂。其疲劳断口宏观形貌中，疲劳源区有向外辐射的疲劳台阶和放射棱线；疲劳扩展区断面平坦，有疲劳弧线；瞬断区仅占整个断面面积的20%左右，符合低应力高周疲劳断裂特征。微观上，疲劳扩展区的典型特征是疲劳条带，每条疲劳条带理论上代表一次应力循环[3]。
3 典型疲劳断裂失效案例分析3.1 装配预紧力不足导致的疲劳断裂
某汽车发动机凸轮轴正时带轮紧固螺栓（材料28B2钢，10.9级）在台架耐久试验进行至545h时发生断裂。断口分析显示，螺栓断口位于距法兰面第49至50节螺纹间，裂纹源位于螺纹牙底，B、C、D区域可见疲劳辉纹和大致平行的二次裂纹，具有典型疲劳断裂特征。分析表明，螺栓未紧固到设计的预紧力，导致使用过程中松动，在交变应力作用下萌生裂纹，最终发生疲劳断裂[4]。
另一案例中，某35CrMo材质10.9级高强度螺栓同样因装配预紧力不足而发生疲劳断裂，断口呈现典型的疲劳源区、扩展区和瞬断区，微观可见疲劳条带[1]。预紧力不足导致紧固件承受的应力幅增大，显著降低了疲劳寿命。
3.2 表面脱碳与R角应力集中引起的疲劳断裂
某新开发车型平衡悬架和车桥固定用U型螺栓在整车路试一段时间后发生断裂。综合分析表明，该U型螺栓断裂性质为高周疲劳断裂。U型螺栓R角与垫板干涉导致R角处表面应力集中，同时U型螺栓表面的脱碳使R角处萌生微裂纹，在交变应力作用下逐渐扩展，最终导致断裂[5]。这一案例表明，R角尺寸设计和表面脱碳控制对疲劳寿命有显著影响。
3.3 螺纹结构缺陷导致的疲劳断裂
某发动机摇臂螺栓（SCM435钢）在运行约11.3万公里时发生断裂。失效分析显示，螺栓断裂处位于第5螺纹牙和第6螺纹牙之间，断口呈弯曲疲劳断裂特征，疲劳源位于螺纹牙根部。尽管材料的化学成分、硬度和金相组织均满足要求，但螺纹牙根部的应力集中以及法兰支撑面台阶处的磨损变质层共同导致了疲劳断裂[6]。该案例说明，即使材料和热处理符合标准，加工工艺缺陷仍可成为疲劳断裂的直接诱因。
4 提升抗疲劳性能的关键技术4.1 合理选择材料
合理选择紧固件材质是提高抗疲劳性能的基础。应避免原材料中存在气孔、夹杂等缺陷，尽量选择晶粒细化的材料[1]。实验研究表明，高强度合金钢（如40Cr）较普通碳钢的疲劳寿命可提升40%~60%，而钛合金等新型材料的疲劳寿命提升可达50%~70%[2]。材料强度越高，对缺陷和应力集中的敏感性也越强，因此需要综合考虑。
4.2 表面处理技术
4.2.1 喷丸处理
喷丸处理是通过高速弹丸连续喷射紧固件表面，形成残余压应力层，从而抵消部分工作拉应力，延缓疲劳裂纹的萌生和扩展。研究表明，喷丸处理后，紧固件表面残余压应力一般可达材料屈服强度的30%~50%，影响深度为0.1~0.5mm[2]。实验数据显示，喷丸处理可使紧固件疲劳寿命提升2.3~2.8倍（未处理组平均寿命105次循环，喷丸组达2.3×105~2.8×105次循环）[2]。细粒喷丸处理还可降低表面粗糙度，使失效位置从螺栓头圆角转移到螺纹牙根，从而改变失效模式。
4.2.2 氮化处理
氮化处理是让氮原子渗入紧固件表面，形成高硬度（900~1200HV）、高耐磨的氮化层，同时引入残余压应力。氮化层厚度通常控制在0.1~0.3mm。实验结果表明，氮化处理可使紧固件疲劳寿命提升3.2~3.8倍（氮化组平均寿命达3.2×105~3.8×105次循环）[2]。
4.3 结构优化设计
4.3.1 滚压螺纹工艺
滚压螺纹通过滚轮对金属坯料施加压力，使材料塑性变形形成螺纹，从而形成冷作硬化层，金属纤维流线连续，表面硬度提升20%~30%。研究表明，滚压螺纹工艺制造的紧固件疲劳寿命比切削工艺提升1.6~1.9倍（切削组平均寿命1.2×105次循环，滚压组达1.9×105~2.3×105次循环）[2]，总体可提升2~3倍[1]。
4.3.2 增大过渡圆角半径
在紧固件形状突变处设置恰当的过渡圆角，可有效降低应力集中系数。过渡圆角半径越大，应力集中系数越小。实验数据显示，将过渡圆角半径从0.5mm增至1.5mm后，紧固件疲劳寿命提升1.2~1.4倍（原结构平均寿命1.1×105次循环，优化后达1.3×105~1.5×105次循环），应力集中系数降低25%~30%[2]。
5 疲劳断裂的预防措施综合上述分析，可从以下方面预防汽车紧固件的疲劳断裂问题：
l 合理选材：选用晶粒细化、夹杂物少的材料，高强度紧固件需兼顾韧性。
l 优化结构设计：加大危险截面尺寸，适当增大应力集中处的圆角半径，避免尖角。
l 改善加工工艺：降低表面粗糙度，采用滚压螺纹替代切削螺纹，避免划伤和刷痕。
l 表面强化处理：采用喷丸处理或氮化处理引入残余压应力层。
l 严格控制装配：确保预紧力达到设计要求，关键部位使用定扭扳手。
l 优化热处理工艺：防止过热、过烧、脱碳等缺陷。
l 关注氢脆问题：高强度紧固件表面处理时，需严格执行电镀后去氢处理（180~200℃，1~24h），或采用达克罗替代镀锌[1]。
6 结束语汽车紧固件的疲劳断裂是影响整车安全性和可靠性的重要因素。本文基于统计数据和典型失效案例，系统分析了疲劳断裂的发生机理和主要原因：预紧力不足、表面脱碳、R角设计不合理、螺纹加工缺陷等。相应的提升技术包括合理选材、喷丸处理、氮化处理、滚压螺纹以及过渡圆角优化等，实验证明这些技术可使紧固件疲劳寿命提升2～4倍。未来随着材料科学和制造技术的进步，应进一步探索新的表面强化工艺和疲劳寿命预测模型，以满足汽车行业对紧固件更高可靠性的要求。
参考文献
[1] 梁成成. 汽车紧固件常见问题及预防措施的研究[J]. 汽车零部件, 2022(1): 59-64.
[2] 张行杰. 汽车紧固件抗疲劳性能提升技术研究[J]. 宁波敏达汽车科技股份有限公司, 2025.
[3] 顾玉丽, 魏振伟, 蒋睿哲. GH625和GH536变形高温合金焊接的疲劳裂纹扩展速率分析[J]. 失效分析与预防, 2015, 10(5): 274-279.
[4] 分享：发动机凸轮轴正时带轮紧固螺栓断裂原因分析[EB/OL]. 国检检测, 2023.
[5] U型螺栓断裂失效分析[J]. 失效分析与预防, 2024(2).
[6] 分享：SCM435钢摇臂螺栓断裂原因[EB/OL].
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