紧固螺栓开裂原因分析
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Abstract :T wo bolts fr actur ed in the process of installatio n.Based on macr o-observ ation , micr o-observ ation ,
micro structure te sting and micr ohardness testing , the fracture mechanism w as confirmed .And based o n loading analysis , ring-draw ex amination , frictio n co efficient te sting and finite element analy sis , the f racture cause w as found .T he fracture w as caused by over lo ad.U nder the co-effect of casto r oil and T B06-9 lacque r , the f rictio n co efficient reduced gr eatly .A s a result , the lo gnitudinal stress of bolts increased remar kably unde r a ce rtain moment of to rsion .T he n the bolts f ractured.
1 .5 结果分析 由以上的结果可知 , 两螺栓原始裂纹断口微观
形貌均为韧窝断裂特征 , 且也无陈旧性裂纹断口 , 可 以判断螺栓开裂性质为过载开裂 。螺栓的过载开裂 主要与两方面因素有关[ 4] :材质和应力水平 。 试验 结果表明 , 螺栓显微组织和显微硬度正常 , 由硬度值 换算的抗拉强度值也在规定的范围值之内 , 且断口 上也未见夹杂等冶金缺陷 , 由此可知 , 螺栓的开裂与 材质无关 , 而与受到较大的应力有关 。
式中 :M 为拧紧力矩 , N · mm ;P0 为轴向拉力 , N ;d
为螺纹外径 , m m ;d2 为螺纹平均 直径 , m m ;α为螺
纹上升角 , t anα=s/ πd2 , s 为螺距 ;β 为螺纹摩擦角 ,
t anβ =f , f 为螺栓与螺帽间的摩擦因数 ;D 为六角
螺栓外接圆直径 ;μ为螺母与其支撑面之间的摩擦
第 32 卷 第 4 期 2008 年 4 月
机 械 工 程 材 料
M ate rials f or M echanical Eng ineering
V ol .32 N o .4 A pr .2008
紧固螺栓开裂原因分析
刘昌奎 , 李运菊 , 陶春虎 , 张 兵 (北京航空材料研究院中国航空工业失效分析中心 , 北京 100095)
刘昌奎 , 等 :紧固螺栓开裂原因分析
色区域 , 能谱检测结果表明为 T B06-9 底漆 ;原始裂 纹断口微观特征为等轴韧窝(图 2b)。可以推断 , 断 口上的底漆是装配时螺栓开裂后渗入造成的 。
表 1 显微硬度检测及抗拉强度换算结果 Tab .1 Results of microhardness testing and tensile strength
为 0 .03 和 0 .12 , 相差 4 倍 。 其他条件下摩擦因数 都较稳定 , 变化不大 。 蓖麻油 +底漆润滑条件下摩 擦因数的波动与试验中蓖麻油和底漆实际的混合比
例有关 。 如果将蓖麻油 +底漆润滑的条件下所测定 的摩擦因数和力矩 150 N ·m 带入上面所提到的轴 向拉力计算公式中 , 则螺栓轴向拉力波动范围达到 22 .2 kN ;如果将各种试验条件 下所测得的最大和 最小摩擦因数值(分别为 0 .03 和 0 .33)带入计算 , 则螺栓轴向拉力波动范围达到 46 .75 kN 。由表 2 还可见 , 体积比为 20 ∶80 的底漆润滑和蓖麻油润滑 条件下的摩擦因数大致相当 , 说明在相同的扭矩作 用下 , 两种润滑条件下螺栓所受轴向拉力水平应大 致相当 。 而这一试验结果正好与扭拉试验中两种相 同条件下的试验结果相吻合 。
oil and TB06-9 lacquer
2 .4 螺栓受力有限元分析 根据上面提到的螺栓轴向拉力计算公式 , 扭矩
选取 150 N ·m , 摩擦因数 f 设定为 0 .15 , 其他参数 不变 , 计算螺栓所受轴向拉力为 P0 =59 940 N 。 在 该条件下采用 ANSYS 软件对螺栓的受力状态进行 有限元分析 , 结果见图 6 。 可见 , 在轴向 拉力 P0 = 59 940 N 条件 下 , 螺栓在装配过程中 , 其内外螺纹 旋合部位头四牙的螺纹牙底 , 存在局部塑性变形 , 第 一和第二牙较为明显 , 并且在螺栓光杆下未旋合的 头三牙的螺纹牙底也有小部分存在塑性变形 。
表 2 摩擦因数测定结果 Tab.2 The results of friction coeff icient testing
压力 /N
30 60 90
干摩擦
0 .22 0 .21 0 .24
蓖麻油 润滑
0 .13 0 .12 0 .11
底漆润滑 蓖麻油+
体积比 体积比 体积比 底漆润滑 5∶95 13 .6 ∶86.4 20 ∶80
0.27 0 .32
0 .14
0 .06
0.27 0 .33
0 .12
0 .03
0.33 0 .28
0 .12
0 .12
图 4 底漆和润滑油对轴向拉力的影响 Fig .4 The relation between logni tudinal loading of bol t and castor
Key words :bolt ;ov erload fracture ;f riction co efficient
0 引 言
某紧固螺栓材料为 30CrM nSiA 钢 , 表面镀镉 , 经调 质和 除氢 处理 , 其 抗拉 强 度要 求 在 1 050 ～ 1 200 MP a范围内 。 该螺栓采用 150 N ·m 的定力 扳手进行紧固 , 安装前需在螺纹孔表面涂覆 T B06-9 锌黄丙烯酸聚氨酯底漆 。
观察 , 结Hale Waihona Puke Baidu均为回火索氏体组织 , 未见异常 , 见图 3 。
图 3 螺栓显微组织 Fig .3 The microstructure of bolts
1 .4 显微硬度 用 WOLP ERT 401MVD 型显微硬度仪对两螺
栓进行显 微硬度 测定 , 并 根据 GB/ T 1172 -1999 《黑色金属硬度及强度换算值》将所测硬度值换算为 抗拉强度值 , 检测及换算结果见表 1 。结果表明 , 两 螺栓心部和表面硬度基本相当 , 换算所得的抗拉强 度值均在 1 050 ～ 1 200 M Pa 范围内 。
因数 。
对于开裂的螺栓而言 , d =14 m m 、d2 =13 .026
mm 、α=2 .1°、s =1 .5 mm 、D =19 .8 m m 、μ=0 .15 ,
均为定值 。而 M 为施加在螺栓上的拧紧力矩 , t gβ
=f 则与实际的摩擦条件有关 。
从螺栓的安装条件来看 , 在装螺栓前 , 需在对应
2 螺栓开裂原因分析
2 .1 螺栓受力分析 螺栓在安装过程中 , 安装力矩克服的主要是螺
旋副产生的摩擦力矩 、螺旋副正压力分力产生的分 力矩和螺栓头底面产生的摩擦力矩[ 5] 。 螺栓在一定 拧紧力矩作用下所产生的轴向拉力 P0 可通过下式 计算[ 6] :
P0 = d2
2M t an(α+β)+32(μD(D2 -3 -d2d)3d)2
试样 检测位置
1#
中心
边缘
2#
中心
边缘
显微硬度/ HV 0 .2
352 .8 352 .2 339 .5 346 .6
354 .4 353 .3 346 .1 353 .2
355 .6 360 .6 353 .8 361 .2
抗拉强度 / MPa
1 152 1 155 1 126 1 152
(a) 宏观特征
关键词 :螺栓 ;过载开裂 ;摩擦因数
中图分类号 :TG 11 文献标识码 :A 文章编号 :1000-3738(2008)04-0070-04
Failure Analysis of Fractured Bolts
LIU Chang-kui , LI Yun-ju , TAO Chun-hu , ZHANG Bing (Bei jing Insti tute of Aeronaut ical M at erials , Beijing 100095 , China)
图 1 2 #螺栓裂纹宏观形貌 Fig.1 The morphol ogy of cracks
1 .2 断口形貌 用 S600 型扫描电镜(SEM)对裂纹打断后的断
口进行观察 。 两原始裂纹断口微观特征基本相同 , 裂纹均起源于螺纹牙底 , 裂纹源区未见夹杂等冶金 缺陷 。2 #螺栓原始裂纹断口上 存在面积较大的黄
摘 要 :某螺栓在安装过程中有两个在螺纹牙底开裂 。通过对螺栓裂纹及裂纹断口的宏观微观 观察 、显微组织和显微硬度检测 , 确定了裂纹性质 ;通过对螺栓在安装过程中的受力分析 、扭拉试 验 、摩擦因数测定以及有限元数值模拟分析 , 确定了螺栓开裂原因 。结果表明 :螺栓裂纹性质为过 载开裂 , 其主要原因是由于螺栓孔内残留的蓖麻油和 T B06-9 底漆使得螺纹旋合摩擦因数大大降 低 , 螺栓在一定的扭矩下承受的轴向拉应力显著增加 , 从而导致螺栓开裂 。
(b) 微观特征 图 2 断口形貌 Fig.2 The macro-and micro-morphology of fracture surface (a) macro-morphol ogy (b) micro-morphology
1 .3 显微组织 用奥林巴斯光学显微镜对两螺栓进行显微组织
1 理化检验与结果
1 .1 宏观检查
收稿日期 :2007-05-18 ;修订日期 :2007-08-03 作者简介 :刘昌奎(1976 -), 男 , 四川内江人 , 工程师 , 博士研究生 。 导师 :陶春虎研究员
· 70 ·
两螺栓的裂纹分布基本相同 , 均出现在第 1 ～ 第 4 螺纹牙底 , 其中 2#螺栓裂纹开口较大 , 见图 1 。 对螺纹用 H I-scope KH-2700 型体视显微镜进行高 倍检查 , 未发现明显的加工缺陷 。
在该螺栓紧固过 程中 , 有 两螺栓(分别命名 为 1#和 2# 螺栓)分别在定力扳手 扭力显示为 110 和 140 N · m 后 , 定力扳手显示的扭力不再增加 。 拆 装后发现两螺栓螺纹牙底开裂 。螺栓作为重要的紧 固件 , 其失效故障发生较多[ 1 -3] 。为防止此螺 栓开 裂再次出现 , 作者对其开裂原因进行了分析 。
2 .2 不同条件下的扭拉试验
为得出不同润滑条件对螺栓所受轴向拉力的影 响 , 对螺栓在不同润滑条件和扭力水平下进行扭拉 试验 。扭拉试验设备为瑞格尔 RNJ-500 型拉扭 试 验机 。选取四种试验条件 , 分别为干摩擦 、蓖麻油润 滑 、底漆润滑(底漆与稀释剂体积比为 1 ∶4)、蓖麻 油 +底漆润滑 。选取从 80 N · m 到 150 N · m 的 10 的整数倍共 8 个扭力水平 。每种条件下的 每一 应力水平分别做 5 组试验 , 试验结果见图 4(5 组试 验结果平均值)。可见 , 采用不同的润滑条件 , 螺栓 在相同的力矩下所受的轴向拉力 会出现较大的 差 异 。 其中 , 蓖麻油 +底漆共同作用下 , 在相同的力矩 下 , 螺栓所受轴向拉力明显偏大 。 并且在试验中 , 出 现了两组异常数据 , 均是在蓖麻油 +底漆润滑条件 下产生的 , 当扭矩达到 110 N · m 左右 , 出现了螺栓 所受轴向拉力明显增大 , 当扭矩为 150 N · m 时 , 螺 栓所受轴向拉力达到 110 kN , 见图 5 。
的螺纹孔内涂覆 T B06-9 底漆 , 且由于在螺纹孔加 工过程中需要加蓖麻油进行润滑 , 因此螺孔内还可 能存留有蓖麻油 。 从这可以看出 , 由于实际条件的 不同 , 可能使得螺栓螺纹旋合摩擦因数 f 出现较大 的差异 , 从而造成螺栓实际所受轴向拉力水平不同 。
· 71 ·
刘昌奎 , 等 :紧固螺栓开裂原因分析
micro structure te sting and micr ohardness testing , the fracture mechanism w as confirmed .And based o n loading analysis , ring-draw ex amination , frictio n co efficient te sting and finite element analy sis , the f racture cause w as found .T he fracture w as caused by over lo ad.U nder the co-effect of casto r oil and T B06-9 lacque r , the f rictio n co efficient reduced gr eatly .A s a result , the lo gnitudinal stress of bolts increased remar kably unde r a ce rtain moment of to rsion .T he n the bolts f ractured.
1 .5 结果分析 由以上的结果可知 , 两螺栓原始裂纹断口微观
形貌均为韧窝断裂特征 , 且也无陈旧性裂纹断口 , 可 以判断螺栓开裂性质为过载开裂 。螺栓的过载开裂 主要与两方面因素有关[ 4] :材质和应力水平 。 试验 结果表明 , 螺栓显微组织和显微硬度正常 , 由硬度值 换算的抗拉强度值也在规定的范围值之内 , 且断口 上也未见夹杂等冶金缺陷 , 由此可知 , 螺栓的开裂与 材质无关 , 而与受到较大的应力有关 。
式中 :M 为拧紧力矩 , N · mm ;P0 为轴向拉力 , N ;d
为螺纹外径 , m m ;d2 为螺纹平均 直径 , m m ;α为螺
纹上升角 , t anα=s/ πd2 , s 为螺距 ;β 为螺纹摩擦角 ,
t anβ =f , f 为螺栓与螺帽间的摩擦因数 ;D 为六角
螺栓外接圆直径 ;μ为螺母与其支撑面之间的摩擦
第 32 卷 第 4 期 2008 年 4 月
机 械 工 程 材 料
M ate rials f or M echanical Eng ineering
V ol .32 N o .4 A pr .2008
紧固螺栓开裂原因分析
刘昌奎 , 李运菊 , 陶春虎 , 张 兵 (北京航空材料研究院中国航空工业失效分析中心 , 北京 100095)
刘昌奎 , 等 :紧固螺栓开裂原因分析
色区域 , 能谱检测结果表明为 T B06-9 底漆 ;原始裂 纹断口微观特征为等轴韧窝(图 2b)。可以推断 , 断 口上的底漆是装配时螺栓开裂后渗入造成的 。
表 1 显微硬度检测及抗拉强度换算结果 Tab .1 Results of microhardness testing and tensile strength
为 0 .03 和 0 .12 , 相差 4 倍 。 其他条件下摩擦因数 都较稳定 , 变化不大 。 蓖麻油 +底漆润滑条件下摩 擦因数的波动与试验中蓖麻油和底漆实际的混合比
例有关 。 如果将蓖麻油 +底漆润滑的条件下所测定 的摩擦因数和力矩 150 N ·m 带入上面所提到的轴 向拉力计算公式中 , 则螺栓轴向拉力波动范围达到 22 .2 kN ;如果将各种试验条件 下所测得的最大和 最小摩擦因数值(分别为 0 .03 和 0 .33)带入计算 , 则螺栓轴向拉力波动范围达到 46 .75 kN 。由表 2 还可见 , 体积比为 20 ∶80 的底漆润滑和蓖麻油润滑 条件下的摩擦因数大致相当 , 说明在相同的扭矩作 用下 , 两种润滑条件下螺栓所受轴向拉力水平应大 致相当 。 而这一试验结果正好与扭拉试验中两种相 同条件下的试验结果相吻合 。
oil and TB06-9 lacquer
2 .4 螺栓受力有限元分析 根据上面提到的螺栓轴向拉力计算公式 , 扭矩
选取 150 N ·m , 摩擦因数 f 设定为 0 .15 , 其他参数 不变 , 计算螺栓所受轴向拉力为 P0 =59 940 N 。 在 该条件下采用 ANSYS 软件对螺栓的受力状态进行 有限元分析 , 结果见图 6 。 可见 , 在轴向 拉力 P0 = 59 940 N 条件 下 , 螺栓在装配过程中 , 其内外螺纹 旋合部位头四牙的螺纹牙底 , 存在局部塑性变形 , 第 一和第二牙较为明显 , 并且在螺栓光杆下未旋合的 头三牙的螺纹牙底也有小部分存在塑性变形 。
表 2 摩擦因数测定结果 Tab.2 The results of friction coeff icient testing
压力 /N
30 60 90
干摩擦
0 .22 0 .21 0 .24
蓖麻油 润滑
0 .13 0 .12 0 .11
底漆润滑 蓖麻油+
体积比 体积比 体积比 底漆润滑 5∶95 13 .6 ∶86.4 20 ∶80
0.27 0 .32
0 .14
0 .06
0.27 0 .33
0 .12
0 .03
0.33 0 .28
0 .12
0 .12
图 4 底漆和润滑油对轴向拉力的影响 Fig .4 The relation between logni tudinal loading of bol t and castor
Key words :bolt ;ov erload fracture ;f riction co efficient
0 引 言
某紧固螺栓材料为 30CrM nSiA 钢 , 表面镀镉 , 经调 质和 除氢 处理 , 其 抗拉 强 度要 求 在 1 050 ～ 1 200 MP a范围内 。 该螺栓采用 150 N ·m 的定力 扳手进行紧固 , 安装前需在螺纹孔表面涂覆 T B06-9 锌黄丙烯酸聚氨酯底漆 。
观察 , 结Hale Waihona Puke Baidu均为回火索氏体组织 , 未见异常 , 见图 3 。
图 3 螺栓显微组织 Fig .3 The microstructure of bolts
1 .4 显微硬度 用 WOLP ERT 401MVD 型显微硬度仪对两螺
栓进行显 微硬度 测定 , 并 根据 GB/ T 1172 -1999 《黑色金属硬度及强度换算值》将所测硬度值换算为 抗拉强度值 , 检测及换算结果见表 1 。结果表明 , 两 螺栓心部和表面硬度基本相当 , 换算所得的抗拉强 度值均在 1 050 ～ 1 200 M Pa 范围内 。
因数 。
对于开裂的螺栓而言 , d =14 m m 、d2 =13 .026
mm 、α=2 .1°、s =1 .5 mm 、D =19 .8 m m 、μ=0 .15 ,
均为定值 。而 M 为施加在螺栓上的拧紧力矩 , t gβ
=f 则与实际的摩擦条件有关 。
从螺栓的安装条件来看 , 在装螺栓前 , 需在对应
2 螺栓开裂原因分析
2 .1 螺栓受力分析 螺栓在安装过程中 , 安装力矩克服的主要是螺
旋副产生的摩擦力矩 、螺旋副正压力分力产生的分 力矩和螺栓头底面产生的摩擦力矩[ 5] 。 螺栓在一定 拧紧力矩作用下所产生的轴向拉力 P0 可通过下式 计算[ 6] :
P0 = d2
2M t an(α+β)+32(μD(D2 -3 -d2d)3d)2
试样 检测位置
1#
中心
边缘
2#
中心
边缘
显微硬度/ HV 0 .2
352 .8 352 .2 339 .5 346 .6
354 .4 353 .3 346 .1 353 .2
355 .6 360 .6 353 .8 361 .2
抗拉强度 / MPa
1 152 1 155 1 126 1 152
(a) 宏观特征
关键词 :螺栓 ;过载开裂 ;摩擦因数
中图分类号 :TG 11 文献标识码 :A 文章编号 :1000-3738(2008)04-0070-04
Failure Analysis of Fractured Bolts
LIU Chang-kui , LI Yun-ju , TAO Chun-hu , ZHANG Bing (Bei jing Insti tute of Aeronaut ical M at erials , Beijing 100095 , China)
图 1 2 #螺栓裂纹宏观形貌 Fig.1 The morphol ogy of cracks
1 .2 断口形貌 用 S600 型扫描电镜(SEM)对裂纹打断后的断
口进行观察 。 两原始裂纹断口微观特征基本相同 , 裂纹均起源于螺纹牙底 , 裂纹源区未见夹杂等冶金 缺陷 。2 #螺栓原始裂纹断口上 存在面积较大的黄
摘 要 :某螺栓在安装过程中有两个在螺纹牙底开裂 。通过对螺栓裂纹及裂纹断口的宏观微观 观察 、显微组织和显微硬度检测 , 确定了裂纹性质 ;通过对螺栓在安装过程中的受力分析 、扭拉试 验 、摩擦因数测定以及有限元数值模拟分析 , 确定了螺栓开裂原因 。结果表明 :螺栓裂纹性质为过 载开裂 , 其主要原因是由于螺栓孔内残留的蓖麻油和 T B06-9 底漆使得螺纹旋合摩擦因数大大降 低 , 螺栓在一定的扭矩下承受的轴向拉应力显著增加 , 从而导致螺栓开裂 。
(b) 微观特征 图 2 断口形貌 Fig.2 The macro-and micro-morphology of fracture surface (a) macro-morphol ogy (b) micro-morphology
1 .3 显微组织 用奥林巴斯光学显微镜对两螺栓进行显微组织
1 理化检验与结果
1 .1 宏观检查
收稿日期 :2007-05-18 ;修订日期 :2007-08-03 作者简介 :刘昌奎(1976 -), 男 , 四川内江人 , 工程师 , 博士研究生 。 导师 :陶春虎研究员
· 70 ·
两螺栓的裂纹分布基本相同 , 均出现在第 1 ～ 第 4 螺纹牙底 , 其中 2#螺栓裂纹开口较大 , 见图 1 。 对螺纹用 H I-scope KH-2700 型体视显微镜进行高 倍检查 , 未发现明显的加工缺陷 。
在该螺栓紧固过 程中 , 有 两螺栓(分别命名 为 1#和 2# 螺栓)分别在定力扳手 扭力显示为 110 和 140 N · m 后 , 定力扳手显示的扭力不再增加 。 拆 装后发现两螺栓螺纹牙底开裂 。螺栓作为重要的紧 固件 , 其失效故障发生较多[ 1 -3] 。为防止此螺 栓开 裂再次出现 , 作者对其开裂原因进行了分析 。
2 .2 不同条件下的扭拉试验
为得出不同润滑条件对螺栓所受轴向拉力的影 响 , 对螺栓在不同润滑条件和扭力水平下进行扭拉 试验 。扭拉试验设备为瑞格尔 RNJ-500 型拉扭 试 验机 。选取四种试验条件 , 分别为干摩擦 、蓖麻油润 滑 、底漆润滑(底漆与稀释剂体积比为 1 ∶4)、蓖麻 油 +底漆润滑 。选取从 80 N · m 到 150 N · m 的 10 的整数倍共 8 个扭力水平 。每种条件下的 每一 应力水平分别做 5 组试验 , 试验结果见图 4(5 组试 验结果平均值)。可见 , 采用不同的润滑条件 , 螺栓 在相同的力矩下所受的轴向拉力 会出现较大的 差 异 。 其中 , 蓖麻油 +底漆共同作用下 , 在相同的力矩 下 , 螺栓所受轴向拉力明显偏大 。 并且在试验中 , 出 现了两组异常数据 , 均是在蓖麻油 +底漆润滑条件 下产生的 , 当扭矩达到 110 N · m 左右 , 出现了螺栓 所受轴向拉力明显增大 , 当扭矩为 150 N · m 时 , 螺 栓所受轴向拉力达到 110 kN , 见图 5 。
的螺纹孔内涂覆 T B06-9 底漆 , 且由于在螺纹孔加 工过程中需要加蓖麻油进行润滑 , 因此螺孔内还可 能存留有蓖麻油 。 从这可以看出 , 由于实际条件的 不同 , 可能使得螺栓螺纹旋合摩擦因数 f 出现较大 的差异 , 从而造成螺栓实际所受轴向拉力水平不同 。
· 71 ·
刘昌奎 , 等 :紧固螺栓开裂原因分析