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

    1、應力因數

    超過(guò)常規應力(超應力)由剪切、拉伸、彎曲和壓縮中的任一個(gè)或其組合而產(chǎn)生。

    大多數設計人員首先考慮的是拉伸負荷、預緊力和附加實(shí)用載荷的組合。預緊力基本是內部的和靜態(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)力。

    拉伸負荷試圖將接合組件抗開(kāi)。當這些負荷超過(guò)螺栓的屈服極限時(shí),螺栓從彈性變形變?yōu)樗苄詤^,導致螺栓永久變形,因此在外部負荷除去時(shí)不能再恢復原先的狀態(tài)。類(lèi)似原因,如果螺栓上的外負荷超過(guò)其極限抗拉強度,螺栓將斷裂。

    螺栓擰緊是靠預緊力扭轉得來(lái)的。在安裝時(shí),過(guò)量的扭矩導致超扭矩,同時(shí)也使緊固件受到了超應力而降低了緊固件的軸向抗拉強度,即在連續扭轉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標準的最小抗拉強度時(shí)就出現屈服。扭轉力矩大可以使螺栓預緊力增大.使接合松弛相應減少。為了增加鎖緊力,預緊力一般采取上限。這樣,除非屈服強度和極限抗拉強度之間差異數目很小,一般螺栓不會(huì )因扭轉而出現屈服現象。

    剪切負荷對螺栓縱軸方向施加一個(gè)垂直的力。剪切應力分為單剪應力和雙剪應力。從經(jīng)驗數據來(lái)講,極限單剪應力大約是極限抗拉應力的65%。許多設計人員優(yōu)選剪切負荷,因為它利用了螺栓的抗拉和抗剪強度,它主要起類(lèi)似銷(xiāo)釘的作用,使受剪切的緊固件形成相對簡(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,將抗拉應力轉換成剪切負荷的材料數據往往卻是得不到的。

    緊固件預緊力影響剪切聯(lián)接的整體性。預緊力越低,在與螺栓接觸時(shí)接合層越易滑動(dòng)。剪切負荷能力通過(guò)乘以橫平面數計算(一個(gè)剪切平面通稱(chēng)單剪,兩個(gè)剪切平面通稱(chēng)雙剪),這些平面應該是無(wú)螺紋螺栓的橫截面。我們不提倡設計通過(guò)螺紋的剪切,因為緊固件的剪切強度可在橫截面變化時(shí)被應力集中克服。在核定緊固件剪切強度時(shí),有些設計人員采用抗拉應力面積,而另一些設計人員優(yōu)選小直徑截面。如果剪切聯(lián)接中螺栓扭轉到規定值(如圖2所示),接觸層的配合面在外未超過(guò)摩擦阻力前,不能開(kāi)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計的需要,會(huì )限制必須使用螺栓的數目。

    除了拉伸負荷和剪切負荷外,彎曲應力是螺栓經(jīng)受的另一個(gè)負荷,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(lái)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

    現在工業(yè)緊固件的有關(guān)條例,沒(méi)有專(zhuān)門(mén)立法指示供應商必須采購符合工業(yè)標準的關(guān)鍵元件,特別是沒(méi)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)拉伸負荷的不斷作用,這樣螺栓受到比較小的預緊力和交變工作負荷的作用。在長(cháng)期受到這類(lèi)雙重負荷情況下,螺栓在小于它們額定抗拉強度下就會(huì )造成失效。疲勞壽命取于加載應力循環(huán)的次數和振幅。有些受壓的聯(lián)接件.如壓機、沖壓設備和模壓機械中也可能存在疲勞斷裂。操作時(shí)的動(dòng)力與預緊力之間產(chǎn)生多種復合應力。如在反復拉伸運動(dòng)中,應力變化次數和振幅大小受到疲勞程度、損壞程度的影響。

    典型的工業(yè)緊固件如內六角螺釘,在一定的彈性范圍內,恒定地伸長(cháng)和回復到原來(lái)的形狀。如果受到超過(guò)正常的應力作用,超過(guò)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(cháng)-回復一伸長(cháng)的行為稱(chēng)為循環(huán)。一個(gè)內六角螺釘大約可承受每天240~10°個(gè)循環(huán)(最多)

    虛點(diǎn)對角線(xiàn)預示持續10個(gè)百萬(wàn)循環(huán),以90%概率交變螺釘負荷的平均值。實(shí)對角線(xiàn)顯示當螺釘預緊力到100ksi時(shí),動(dòng)態(tài)負荷與平均應力的最大偏差是土12ksi。

    緊固件因受到峰值到峰值的反復應力循環(huán),最終將發(fā)生開(kāi)裂。斷裂通常發(fā)生在緊固件最易損壞的點(diǎn),工程師稱(chēng)之為“最大應力集中區域”。一旦應力集中處產(chǎn)生微裂紋后繼續受到應力,裂紋會(huì )迅速擴展,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,不斷設計開(kāi)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(jiàn)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(guò)開(kāi)發(fā)更好的材料和生產(chǎn)方法提高了疲勞強度,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。

    設計的應力變量及緊固件性能特點(diǎn)間的相互關(guān)系使設定疲勞強度的標準成為-一個(gè)困難任務(wù),目前是用“至斷裂的循環(huán)”數目確定以及系列緊固件的相對強度來(lái)測量,這是一個(gè)復雜的過(guò)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”。設計人員應根據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。

    應力腐蝕是相對受限制的。應力腐蝕在高拉伸負荷的作用下存在,它主要影響高強度合金鋼的緊固件。合金鋼的緊固件(尤其是合金成分比較高的鋼材)在應力的作用下很容易產(chǎn)生裂隙。開(kāi)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力和材料的斷裂韌度來(lái)決定。當剩下的材料功能到了不能承受施加的應力時(shí),就會(huì )發(fā)生斷裂。

    4、氫脆

    高強度鋼緊固件(一般洛氏硬度為C36以_上)更易出現氫脆的情況。氫脆是引起緊固件斷裂的主要原因。氫脆是氫原子進(jìn)入并擴散到整個(gè)材料基體時(shí)的現象。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(lái)的平衡態(tài),因此受到外力很容易開(kāi)裂。當外負荷施加到螺釘時(shí),氫原子遷移到應力高度集中區,造成晶體界邊緣之間極大的應力,這導致緊固件晶體顆粒間破裂。

    當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?xún)犬a(chǎn)生斷裂。如果當氫進(jìn)入緊固件后是不可能預測到什么時(shí)間會(huì )產(chǎn)生斷裂。所以設計人員在使用相關(guān)緊固件時(shí),應規定選用有專(zhuān)門(mén)的工藝處理和使用潛在氫脆最小化的供應商。

    5、其他因素

    聯(lián)接斷裂不是始終直接與災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,需要計劃外的維護,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荷的施加而松弛,這些因素和螺栓的高溫蠕變可導致預緊力喪失。有時(shí)候聯(lián)接的斷裂可歸于通過(guò)的孔太大或太小、承載面積太小、材料太軟、負荷太高。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 )導致聯(lián)接整體性的喪失或最終的螺栓斷裂。