紧固件断裂的原因及失效分析

作者：    发布于：2012-08-04 10:56:24  浏览：1153次

紧固件断裂的原因及失效分析
紧固件损坏原因:
常见紧固件损坏的形式有螺栓/螺母松动,螺栓断裂,螺纹损坏等

1. 当承接面在螺钉和接合之间不是平整联接时,紧固件和机械零件接触面积小,面与面之间的摩擦力减小,紧固件就很容易在受到比较强烈的震动下被旋松.这样震动下,一旦预紧里下降,紧固件就极易失效.
2. 忽略了螺钉头部和螺钉体之间提供过渡根圆角的适当间隙(机械加工错误)---不适当的齿根间隙,螺钉将落在孔入口和齿根圆角之间,不能利用整个承载表面,会导致齿根圆角处应力的集中和上升,造成螺钉头部破裂,而且在震动下,这种情况造成螺钉头部的损坏会更加突出

 

                        图1 斜切口在螺钉上的过渡齿根圆脚间隙
 
 
螺栓损坏的原因:
 应力因数,疲劳,腐蚀和氢脆等

1. 应力因数:超过常规应力(超应力)由剪切,拉伸,弯曲和压缩中的任何一个或其组成而产生.

1.预紧力基本是内部的和静态的,它使接合组件受压.
2.实用载荷是外部的,一般是施加在紧固件上的循环(往复)力
3.拉伸负荷试图将结合组件拉开.当负荷超过螺栓的屈服极限时,螺栓从弹性变形变成塑性区,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
        结论:螺栓上的外负荷超过其极限抗拉强度,螺栓会断裂
2. 剪切负荷是对螺栓纵轴方向施加一个垂直的力。它分为单剪应力和双剪应力
极限单剪应力大约是极限抗拉应力的65%。
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
一个剪切平面通称单剪，两个剪切平面通称双剪，平面指无螺纹螺栓的横截面
3. 弯曲应力是螺栓经受的另一个负荷，上由不垂直螺栓纵轴方向的，在承截面和配合面的位置的外力所引起的，紧固件联接越简单，其整体性和可靠性就越大。
      

                        单剪                                 双剪
 
  疲劳
      螺栓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。疲劳的寿命取决于加载应力循环的次数和振幅。
      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，他们就会产生永久变形直到断裂。
 
  腐蚀
      有普通腐蚀，化学腐蚀，电解腐蚀，应力腐蚀。
      电解腐蚀：紧固件暴露在外界，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，电解电位不同，电解差很容易产生“微电池”。可根据金属的想容性尽量选择电解接近的材料，同时消除电解质的产生条件，以防止电解腐蚀的产生裂隙。
  应力腐蚀是相对受限制的。在高拉伸负荷的作用下存在，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。
氢脆
    高强度钢紧固件（一般洛氏硬度为C36以上）更容易出现氢脆的情况。
    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。氢原子进入材料基体时，材料基体产生晶格畸变，破坏了原来的平衡状态，因此在受到外力很容易开裂。
当紧固件在安装前就含有临界状态的氢时，通常会在24h以内产生断裂。当氢进入紧固件后是不可能预测到什么时间会产生断裂。
 
其他原因
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,在使用中会产生噪音,泄露,需要计划外的维护,否则会产生断裂.
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多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.
 
失效分析
断裂

1. 头部断裂:表明存在弯曲应力或疲劳
2. 收缩区(颈部):头部下和第一个啮合螺纹(联接处)之间,认为是超应力.联接处也可以是剪切断裂的位置,它表现的形态与颈缩或拉伸不完全相同
3. 凹陷口,点蚀和可见的副产物,如锈斑,锈迹.当有这些现象发生时,说明发生了腐蚀
4. 在紧固件螺纹的第一啮合处产生断裂,说明这个部位具有高度集中的应力,产生断裂实际上是疲劳的最终结果.
5. 当螺栓电镀时可以产生氢脆.其线索包括:在按照后不久,出现清楚的,平整的裂痕,没有缩颈或弯曲的现象.

最简单和最多使用的计算安装扭踞的等式是:     T=KDP
     T---安装拧紧扭矩    K---扭矩系数     D---公称紧固件直径    P---螺栓预紧力
其中K是个变量,包括材料硬度,表面结构以及承受面上的摩擦力,螺纹状况的不同而定
剪切断裂可通过使用更多,更大或更强的紧固件来防止,而且较高的预紧力增加相连表面间的摩擦阻力,有助于将紧固件联接紧密,保持在一起.
疲劳是螺栓最频繁的断裂原因,也是最难防止的失效原因.通过减少应力集中而减少螺栓疲劳的机会有以下几项措施:

1. 用锻制的方法制造螺栓头.
2. 制造成带有切成圆弧状的根部和尾部的滚压螺纹.
3. 椭圆形的齿根过度曲面.
4. 控制头部到无螺纹部分的垂直性.
5. 良好的表面抛光.
6. 适当地制定承载面积的比例.
7. 特殊的额外加工(比如热加工后轧制螺纹和齿根过度曲面),能够提供给紧固件更大的抗疲劳性.

  安装预紧力对防止疲劳也很关键.一般在外力增加螺栓负荷的拉伸型联接,较高的预紧力比较好.为了防止螺栓松动,或掉出组件,或造成疲劳,选用锁定元件或好的防松螺母是很必要的.
                           
 
 
 材料的选择
保护性的表面涂层或耐腐蚀紧固件材料可防止产生与紧固件断裂相关的腐蚀.
保护性阻挡层包括碳和合金钢紧固件的磷酸盐处理或涂防锈油.由于涂层的润滑性,可以减少不锈钢紧固件的磨损,延长紧固件的使用寿命.涂层还包括用稀有金属作涂层(如镉,锌或锡)来电镀紧固件,镀银则常用于高温环境的紧固件.
耐腐蚀紧固件材料包括各种级别的不锈钢,超耐热合金钢,非铁合金(如黄铜,钛和铝)以及要求高强度和耐应力腐蚀开裂的材料.但对特殊环境耐腐蚀的材料也可能不适合于普通紧固件.