緊固件螺栓斷裂的原因有多種多樣,歸納來說,一般螺栓的損壞由應(yīng)力因數(shù)、疲勞、腐蝕和氫脆等原因形成。

    1、應(yīng)力因數(shù)

    超過常規(guī)應(yīng)力(超應(yīng)力)由剪切、拉伸、彎曲和壓縮中的任一個(gè)或其組合而產(chǎn)生。

    大多數(shù)設(shè)計(jì)人員首先考慮的是拉伸負(fù)荷、預(yù)緊力和附加實(shí)用載荷的組合。預(yù)緊力基本是內(nèi)部的和靜態(tài)的,它使接合組件受壓。實(shí)用載荷是外部的,--般是施加在緊固件上的循環(huán)(往復(fù))力。

    拉伸負(fù)荷試圖將接合組件抗開。當(dāng)這些負(fù)荷超過螺栓的屈服極限時(shí),螺栓從彈性變形變?yōu)樗苄詤^(qū),導(dǎo)致螺栓永久變形,因此在外部負(fù)荷除去時(shí)不能再恢復(fù)原先的狀態(tài)。類似原因,如果螺栓上的外負(fù)荷超過其極限抗拉強(qiáng)度,螺栓將斷裂。

    螺栓擰緊是靠預(yù)緊力扭轉(zhuǎn)得來的。在安裝時(shí),過量的扭矩導(dǎo)致超扭矩,同時(shí)也使緊固件受到了超應(yīng)力而降低了緊固件的軸向抗拉強(qiáng)度,即在連續(xù)扭轉(zhuǎn)的螺栓與直接受張力拉伸的相同螺栓相比,屈服值比較低。這樣,螺栓有可能在不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的最小抗拉強(qiáng)度時(shí)就出現(xiàn)屈服。扭轉(zhuǎn)力矩大可以使螺栓預(yù)緊力增大.使接合松弛相應(yīng)減少。為了增加鎖緊力,預(yù)緊力一般采取上限。這樣,除非屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度之間差異數(shù)目很小,一般螺栓不會(huì)因扭轉(zhuǎn)而出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。

    剪切負(fù)荷對(duì)螺栓縱軸方向施加一個(gè)垂直的力。剪切應(yīng)力分為單剪應(yīng)力和雙剪應(yīng)力。從經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來講,極限單剪應(yīng)力大約是極限抗拉應(yīng)力的65%。許多設(shè)計(jì)人員優(yōu)選剪切負(fù)荷,因?yàn)樗昧寺菟ǖ目估涂辜魪?qiáng)度,它主要起類似銷釘?shù)淖饔?使受剪切的緊固件形成相對(duì)簡(jiǎn)單的聯(lián)接.缺點(diǎn)是剪切聯(lián)接使用范圍小而且剪切聯(lián)接不能經(jīng)常使用,因其要求更多的材料和空間。我們]知道,材料的組成成分和精度也起一定的決定性。但是,將抗拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換成剪切負(fù)荷的材料數(shù)據(jù)往往卻是得不到的。

    緊固件預(yù)緊力影響剪切聯(lián)接的整體性。預(yù)緊力越低,在與螺栓接觸時(shí)接合層越易滑動(dòng)。剪切負(fù)荷能力通過乘以橫平面數(shù)計(jì)算(一個(gè)剪切平面通稱單剪,兩個(gè)剪切平面通稱雙剪),這些平面應(yīng)該是無螺紋螺栓的橫截面。我們不提倡設(shè)計(jì)通過螺紋的剪切,因?yàn)榫o固件的剪切強(qiáng)度可在橫截面變化時(shí)被應(yīng)力集中克服。在核定緊固件剪切強(qiáng)度時(shí),有些設(shè)計(jì)人員采用抗拉應(yīng)力面積,而另一些設(shè)計(jì)人員優(yōu)選小直徑截面。如果剪切聯(lián)接中螺栓扭轉(zhuǎn)到規(guī)定值(如圖2所示),接觸層的配合面在外未超過摩擦阻力前,不能開始滑動(dòng)。增加配合面之間的摩擦可提高聯(lián)接的整體性,有時(shí)候由于零件的大小及設(shè)計(jì)的需要,會(huì)限制必須使用螺栓的數(shù)目。

    除了拉伸負(fù)荷和剪切負(fù)荷外,彎曲應(yīng)力是螺栓經(jīng)受的另一個(gè)負(fù)荷,是由不垂直于螺栓縱軸方向的、在承載面和配合面的位置的外力所引起的,從整體上來講,緊固件聯(lián)接越簡(jiǎn)單,其整體性和可靠性就越大。

    2、疲勞

    現(xiàn)在工業(yè)緊固件的有關(guān)條例,沒有專門立法指示供應(yīng)商必須采購(gòu)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵元件,特別是沒有提到造成緊固件失效的主要原因一一疲勞。 疲勞造成的損壞估計(jì)要占到緊固件失效的總量的85%。

    螺栓中的疲勞是循環(huán)拉伸負(fù)荷的不斷作用,這樣螺栓受到比較小的預(yù)緊力和交變工作負(fù)荷的作用。在長(zhǎng)期受到這類雙重負(fù)荷情況下,螺栓在小于它們額定抗拉強(qiáng)度下就會(huì)造成失效。疲勞壽命取于加載應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)和振幅。有些受壓的聯(lián)接件.如壓機(jī)、沖壓設(shè)備和模壓機(jī)械中也可能存在疲勞斷裂。操作時(shí)的動(dòng)力與預(yù)緊力之間產(chǎn)生多種復(fù)合應(yīng)力。如在反復(fù)拉伸運(yùn)動(dòng)中,應(yīng)力變化次數(shù)和振幅大小受到疲勞程度、損壞程度的影響。

    典型的工業(yè)緊固件如內(nèi)六角螺釘,在一定的彈性范圍內(nèi),恒定地伸長(zhǎng)和回復(fù)到原來的形狀。如果受到超過正常的應(yīng)力作用,超過了彈性范圍,它們就會(huì)產(chǎn)生永久變形直到最后斷裂。伸長(zhǎng)-回復(fù)一伸長(zhǎng)的行為稱為循環(huán)。一個(gè)內(nèi)六角螺釘大約可承受每天240~10°個(gè)循環(huán)(最多)

    虛點(diǎn)對(duì)角線預(yù)示持續(xù)10個(gè)百萬(wàn)循環(huán),以90%概率交變螺釘負(fù)荷的平均值。實(shí)對(duì)角線顯示當(dāng)螺釘預(yù)緊力到100ksi時(shí),動(dòng)態(tài)負(fù)荷與平均應(yīng)力的最大偏差是土12ksi。

    緊固件因受到峰值到峰值的反復(fù)應(yīng)力循環(huán),最終將發(fā)生開裂。斷裂通常發(fā)生在緊固件最易損壞的點(diǎn),工程師稱之為“最大應(yīng)力集中區(qū)域”。一旦應(yīng)力集中處產(chǎn)生微裂紋后繼續(xù)受到應(yīng)力,裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展,緊固件就發(fā)生疲勞損壞。制造工業(yè)用緊固件的企業(yè)正不斷探索新的成型工藝,不斷設(shè)計(jì)開發(fā)能夠克服上述致命弱點(diǎn)的、新的制造方法。

    疲勞破壞最常見的位置包括聯(lián)接處(即第一受載螺紋)、齒根圓角、螺紋、螺紋終止處。由于加工業(yè)已通過開發(fā)更好的材料和生產(chǎn)方法提高了疲勞強(qiáng)度,所以螺紋就變成了緊固件的最薄弱的點(diǎn),目前也是疲勞破壞中最高比例的損壞原因。

    設(shè)計(jì)的應(yīng)力變量及緊固件性能特點(diǎn)間的相互關(guān)系使設(shè)定疲勞強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)成為-一個(gè)困難任務(wù),目前是用“至斷裂的循環(huán)”數(shù)目確定以及系列緊固件的相對(duì)強(qiáng)度來測(cè)量,這是一個(gè)復(fù)雜的過程。

    3、腐蝕

    螺栓斷裂另一原因是腐蝕。腐蝕有許多形式,包括普通腐蝕、化學(xué)腐蝕、電解腐蝕和應(yīng)力腐蝕。電解腐蝕是:首先緊固件暴露在外,受到雨水或酸霧等各種濕潤(rùn)試劑的侵蝕,這些都是電解質(zhì),都會(huì)使緊固.件產(chǎn)生化學(xué)腐蝕;其次,緊固件的材料不同,它們的電解電位不同,電位差很容易產(chǎn)生“微電池”。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)金屬的相容性盡量選擇電解電位接近的材料,同時(shí)消除電解質(zhì)的產(chǎn)生的條件,以防止電解腐蝕的產(chǎn)生裂隙。

    應(yīng)力腐蝕是相對(duì)受限制的。應(yīng)力腐蝕在高拉伸負(fù)荷的作用下存在,它主要影響高強(qiáng)度合金鋼的緊固件。合金鋼的緊固件(尤其是合金成分比較高的鋼材)在應(yīng)力的作用下很容易產(chǎn)生裂隙。開始,一般在表面形成裂隙坑,然后進(jìn)一步產(chǎn)生腐蝕,腐蝕后促使裂隙傳播,其速率由螺栓上所受的應(yīng)力和材料的斷裂韌度來決定。當(dāng)剩下的材料功能到了不能承受施加的應(yīng)力時(shí),就會(huì)發(fā)生斷裂。

    4、氫脆

    高強(qiáng)度鋼緊固件(一般洛氏硬度為C36以_上)更易出現(xiàn)氫脆的情況。氫脆是引起緊固件斷裂的主要原因。氫脆是氫原子進(jìn)入并擴(kuò)散到整個(gè)材料基體時(shí)的現(xiàn)象。氫原子進(jìn)人材料基體時(shí),材料基體產(chǎn)生晶格:畸變,破壞了原來的平衡態(tài),因此受到外力很容易開裂。當(dāng)外負(fù)荷施加到螺釘時(shí),氫原子遷移到應(yīng)力高度集中區(qū),造成晶體界邊緣之間極大的應(yīng)力,這導(dǎo)致緊固件晶體顆粒間破裂。

    當(dāng)緊固件在安裝前就含有臨界狀態(tài)的氫時(shí),它通常會(huì)在24h以內(nèi)產(chǎn)生斷裂。如果當(dāng)氫進(jìn)入緊固件后是不可能預(yù)測(cè)到什么時(shí)間會(huì)產(chǎn)生斷裂。所以設(shè)計(jì)人員在使用相關(guān)緊固件時(shí),應(yīng)規(guī)定選用有專門的工藝處理和使用潛在氫脆最小化的供應(yīng)商。

    5、其他因素

    聯(lián)接斷裂不是始終直接與災(zāi)難性的緊固件斷裂有關(guān)。許多緊固件相關(guān)的因素,比如預(yù)緊力的喪失或緊固件聯(lián)接疲勞可造成磨損;緊固件中心偏移,在使用中會(huì)產(chǎn)生噪聲、泄漏,需要計(jì)劃外的維護(hù),否則會(huì)產(chǎn)生斷裂。例如,震動(dòng)會(huì)降低螺紋的摩擦阻力,而且緊固件聯(lián)接在安裝后因工作負(fù)荷的施加而松弛,這些因素和螺栓的高溫蠕變可導(dǎo)致預(yù)緊力喪失。有時(shí)候聯(lián)接的斷裂可歸于通過的孔太大或太小、承載面積太小、材料太軟、負(fù)荷太高。這些情況中的任何一個(gè)都不會(huì)造成螺栓的直接斷裂,但會(huì)導(dǎo)致聯(lián)接整體性的喪失或最終的螺栓斷裂。