紧固件螺栓断裂常见原因分析

紧固件螺栓断裂的原因有多种多样,归纳来说,一般螺栓的损坏由应力因数、疲劳、腐蚀和氢脆等原因形成。

1、应力因数

超过常规应力(超应力)由剪切、拉伸、弯曲和压缩中的任一个或其组合而产生。

大多数设计人员首先考虑的是拉伸负荷、预紧力和附加实用载荷的组合。预紧力基本是内部的和静态的,它使接合组件受压。实用载荷是外部的,--般是施加在紧固件上的循环(往复)力。

拉伸负荷试图将接合组件抗开。当这些负荷超过螺栓的屈服极限时,螺栓从弹性变形变为塑性区,导致螺栓永久变形,因此在外部负荷除去时不能再恢复原先的状态。类似原因,如果螺栓上的外负荷超过其极限抗拉强度,螺栓将断裂。

螺栓拧紧是靠预紧力扭转得来的。在安装时,过量的扭矩导致超扭矩,同时也使紧固件受到了超应力而降低了紧固件的轴向抗拉强度,即在连续扭转的螺栓与直接受张力拉伸的相同螺栓相比,屈服值比较低。这样,螺栓有可能在不到相应标准的最小抗拉强度时就出现屈服。扭转力矩大可以使螺栓预紧力增大.使接合松弛相应减少。为了增加锁紧力,预紧力一般采取上限。这样,除非屈服强度和极限抗拉强度之间差异数目很小,一般螺栓不会因扭转而出现屈服现象。

剪切负荷对螺栓纵轴方向施加一个垂直的力。剪切应力分为单剪应力和双剪应力。从经验数据来讲,极限单剪应力大约是极限抗拉应力的65%。许多设计人员优选剪切负荷,因为它利用了螺栓的抗拉和抗剪强度,它主要起类似销钉的作用,使受剪切的紧固件形成相对简单的联接.缺点是剪切联接使用范围小而且剪切联接不能经常使用,因其要求更多的材料和空间。我们]知道,材料的组成成分和精度也起一定的决定性。但是,将抗拉应力转换成剪切负荷的材料数据往往却是得不到的。

紧固件预紧力影响剪切联接的整体性。预紧力越低,在与螺栓接触时接合层越易滑动。剪切负荷能力通过乘以橫平面数计算(一个剪切平面通称单剪,两个剪切平面通称双剪),这些平面应该是无螺纹螺栓的横截面。我们不提倡设计通过螺纹的剪切,因为紧固件的剪切强度可在横截面变化时被应力集中克服。在核定紧固件剪切强度时,有些设计人员采用抗拉应力面积,而另一些设计人员优选小直径截面。如果剪切联接中螺栓扭转到规定值,接触层的配合面在外未超过摩擦阻力前,不能开始滑动。增加配合面之间的摩擦可提高联接的整体性,有时候由于零件的大小及设计的需要,会限制必须使用螺栓的数目。

除了拉伸负荷和剪切负荷外,弯曲应力是螺栓经受的另一个负荷,是由不垂直于螺栓纵轴方向的、在承载面和配合面的位置的外力所引起的,从整体上来讲,紧固件联接越简单,其整体性和可靠性就越大。

2、疲劳

现在工业紧固件的有关条例,没有专门立法指示供应商必须采购符合工业标准的关键元件,特别是没有提到造成紧固件失效的主要原因一一疲劳。疲劳造成的损坏估计要占到紧固件失效的总量的85%。

螺栓中的疲劳是循环拉伸负荷的不断作用,这样螺栓受到比较小的预紧力和交变工作负荷的作用。在长期受到这类双重负荷情况下,螺栓在小于它们额定抗拉强度下就会造成失效。疲劳寿命取于加载应力循环的次数和振幅。有些受压的联接件.如压机、冲压设备和模压机械中也可能存在疲劳断裂。操作时的动力与预紧力之间产生多种复合应力。如在反复拉伸运动中,应力变化次数和振幅大小受到疲劳程度、损坏程度的影响。

典型的工业紧固件如内六角螺钉,在一定的弹性范围内,恒定地伸长和回复到原来的形状。如果受到超过正常的应力作用,超过了弹性范围,它们就会产生永久变形直到最后断裂。伸长-回复一伸长的行为称为循环。一个内六角螺钉大约可承受每天240~10°个循环(最多)。

图3 改良的Goodman图

虚点对角线预示持续10个百万循环,以90%概率交变螺钉负荷的平均值。实对角线显示当螺钉预紧力到100ksi时,动态负荷与平均应力的最大偏差是土12ksi。

紧固件因受到峰值到峰值的反复应力循环,最终将发生开裂。断裂通常发生在紧固件最易损坏的点,工程师称之为“最大应力集中区域”。一旦应力集中处产生微裂纹后继续受到应力,裂纹会迅速扩展,紧固件就发生疲劳损坏。制造工业用紧固件的企业正不断探索新的成型工艺,不断设计开发能够克服上述致命弱点的、新的制造方法。

疲劳破坏最常见的位置包括联接处(即第一受载螺纹)、齿根圆角、螺纹、螺纹终止处。由于加工业已通过开发更好的材料和生产方法提高了疲劳强度,所以螺纹就变成了紧固件的最薄弱的点,目前也是疲劳破坏中最高比例的损坏原因。

设计的应力变量及紧固件性能特点间的相互关系使设定疲劳强度的标准成为-一个困难任务,目前是用“至断裂的循环”数目确定以及系列紧固件的相对强度来测量,这是一个复杂的过程。

3、腐蚀

螺栓断裂另一原因是腐蚀。腐蚀有许多形式,包括普通腐蚀、化学腐蚀、电解腐蚀和应力腐蚀。电解腐蚀是:首先紧固件暴露在外,受到雨水或酸雾等各种湿润试剂的侵蚀,这些都是电解质,都会使紧固.件产生化学腐蚀;其次,紧固件的材料不同,它们的电解电位不同,电位差很容易产生“微电池”。设计人员应根据金属的相容性尽量选择电解电位接近的材料,同时消除电解质的产生的条件,以防止电解腐蚀的产生裂隙。

应力腐蚀是相对受限制的。应力腐蚀在高拉伸负荷的作用下存在,它主要影响高强度合金钢的紧固件。合金钢的紧固件(尤其是合金成分比较高的钢材)在应力的作用下很容易产生裂隙。开始,一般在表面形成裂隙坑,然后进一步产生腐蚀,腐蚀后促使裂隙传播,其速率由螺栓上所受的应力和材料的断裂韧度来决定。当剩下的材料功能到了不能承受施加的应力时,就会发生断裂。

4、氢脆

高强度钢紧固件(一般洛氏硬度为C36以_上)更易出现氢脆的情况。氢脆是引起紧固件断裂的主要原因。氢脆是氢原子进入并扩散到整个材料基体时的现象。氢原子进人材料基体时,材料基体产生晶格:畸变,破坏了原来的平衡态,因此受到外力很容易开裂。当外负荷施加到螺钉时,氢原子迁移到应力高度集中区,造成晶体界边缘之间极大的应力,这导致紧固件晶体颗粒间破裂。

当紧固件在安装前就含有临界状态的氢时,它通常会在24h以内产生断裂。如果当氢进入紧固件后是不可能预测到什么时间会产生断裂。所以设计人员在使用相关紧固件时,应规定选用有专门的工艺处理和使用潜在氢脆最小化的供应商。

5、其他因素

联接断裂不是始终直接与灾难性的紧固件断裂有关。许多紧固件相关的因素,比如预紧力的丧失或紧固件联接疲劳可造成磨损;紧固件中心偏移,在使用中会产生噪声、泄漏,需要计划外的维护,否则会产生断裂。例如,震动会降低螺纹的摩擦阻力,而且紧固件联接在安装后因工作负荷的施加而松弛,这些因素和螺栓的高温蠕变可导致预紧力丧失。有时候联接的断裂可归于通过的孔太大或太小、承载面积太小、材料太软、负荷太高。这些情况中的任何一个都不会造成螺栓的直接断裂,但会导致联接整体性的丧失或最终的螺栓断裂。