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緊固件斷裂失效類型及原因分析
日期:2021-1-27   閱讀:86次

機器或鋼結構件是由許多個零件和部件組成,這些零件和部件絕大部分是通過螺紋緊固件連接在一起的。一旦緊固失效將造成機器失靈,嚴重者甚至出現人員傷亡事故。
由于緊固失效的常見性和潛在的嚴重性,所以我們應認真仔細地分析并找出緊固失效的原因,采取糾正措施,以杜絕緊固失效的發生。
緊固失效有兩種,一種是螺栓斷裂,被緊固零件瞬間分離,這種失效往往會造成嚴重的后果;還有一種是螺紋副松動和螺栓或螺母滑牙,被緊固零件出現一定范圍的相互位移,造成機器部分功能失常。
人們發現,及時采取措施可以避免事故的發生。如因未發現任其繼續發展,螺栓和螺母終將分離,同樣會引發重大安全事故。緊固失效后直觀現象是螺栓斷裂或螺母與螺栓分離,因此人們一般認為螺栓斷裂是螺栓質量有問題,螺母松動是螺母質量不好。
大家往往忽略了設計和安裝中的問題。小編就帶領大家從設計和裝配的角度進行螺栓斷裂分析。
1 剪切斷裂
剪切斷裂出現在螺栓只受預緊力的連接中(見圖1)。剪切斷口出現在螺栓桿部,位于兩個被緊固零件的結合面處(見圖1),斷口有小面積的平整光亮剪切面。出現剪切斷裂有下列原因:
1)、設計原因
⑴ 被緊固零件的結合面間摩擦系數太小或螺栓規格不夠大造成預緊力F'不夠,即:fF'<F ( f-結合面間的摩擦系數 )此時結合面間摩擦力小于橫向工作載荷F,被緊固零件出現相對滑移,螺栓承受孔壁的擠壓,當擠壓力足夠大時螺栓被剪切斷。
在運動部件上因沖擊力更大,所以出現的可能性也更大。為了避免這種現象的發生,在設計上可以采用減載件和臺階來承受橫向載荷,使螺栓僅起純連接作用(見圖2)。
⑵ 在振動工作環境下工作零件的緊固,未采用具有防松功能的緊固件。在工作一段時間后,緊固件螺紋副出現松動,螺栓夾緊力(預緊力F')下降,此時也將發生上述同樣的結果。
為了避免因松動而造成緊固失效,設計時應采用具有防松功能的緊固件,如美國施必牢防松螺母、有效力矩螺母。
2)、裝配原因
裝配時預緊扭矩過小,造成預緊力不夠,即F'小,出現上述同樣的結果。螺紋緊固件安裝時的緊固力矩在鋼結構設計、施工和發動機裝配上作為一個重要的工藝指標被嚴格執行。
而在其它行業就常被設計和施工單位疏忽,或是根本就無此概念。筆者在實際工作中常見到螺紋連接失效的實例,究其原因,實際上許多都是因安裝扭矩不合適而造成的松脫和螺栓拉斷。
螺栓和螺母組成的螺紋副在緊固時,緊固力是通過旋轉螺母或螺栓(通常是螺母)而獲得的,緊固力與旋轉螺母所用的扭矩(安裝扭矩)成正比,為了保證達到設計所需的緊固力,就要在工藝文件中規定安裝扭矩,并在實際施工中貫徹實施。
安裝扭矩通過下式計算確定:
M = KPD
M — 安裝扭矩,Nm
K — 扭矩系數
P — 設計期望達到的緊固力,KN
D — 螺栓公稱螺紋直徑,mm
緊固力一般在設計上選取螺栓屈服強度σs的6 0 ~80%,安全系數約為1.2以上,不同螺紋規格和強度(機械性能)螺栓的屈服載荷可在GB/T3098.1中查取。
扭矩系數是由內外螺紋之間的摩擦系數和螺栓或螺母支撐面與被緊固零件與緊固件接觸的承壓面的摩擦系數綜合而成。它與緊固件的表面處理、強度、形位公差、螺紋精度、被緊固零件承壓面粗糙度、剛度等許多因素有關。
其中表面處理是一個關鍵的因素。不同的表面處理,其扭矩系數相差很大,有時相差近一倍。例如:同螺紋規格,同強度的螺紋副,表面處理為磷化時,扭矩系數約為0.13~0.15,而表面處理為發黑時,扭矩系數可達0.26~0.3。
從上式中可知,用同樣的安裝扭矩安裝磷化和發黑的緊固件,其產生的緊固力可能會相差近一倍。
扭矩系數需通過試驗獲取。緊固件制造商在其產品表面處理時,應嚴格控制工藝參數,以保證每批產品扭矩系數的統一。緊固件使用方不要輕易更改緊固件的表面處理要求,以免因扭矩系數的變化而出現緊固不夠或螺栓拉長或拉斷的事故。
2 疲勞斷裂
疲勞斷裂也是螺栓常出現的質量問題。疲勞斷裂大部分與螺栓的制造有關,如頭下圓角過渡處不平滑有折點,螺紋牙底不圓滑,桿部的表面缺陷等因素。但是,我們也不要忽略了裝配不當引發安全事故的原因。
例如汽車車輪螺栓,裝配簡圖(見圖3),設計中車輪螺栓僅承受軸向力(預緊力)而不承受橫向力(徑向力)。
如果螺母緊固扭矩值不夠,就會造成緊固力不夠,車輪輪轂與半軸結合面之間摩擦力不夠,車輪輪轂與半軸產生滑移。
當車輪螺栓隨輪轉動到近地位時(見圖4a)螺栓桿部A側受輪轂螺栓孔壁向B側的壓力,當車輪螺栓隨輪轉動到遠地位時(見圖4b)螺栓桿部B側受輪轂螺栓孔壁向A側的壓力。
隨著車輪的高速轉動,車輪螺栓就承受著徑向高頻交變載荷,當交變載荷循環到一定次數時,疲勞斷裂就會發生。因此,在車輛運行一段時間后,車輪螺栓發生斷裂,分析人員應首先查看斷口,初步斷定是否疲勞斷裂,再進行下一步的分析。
3 過載斷裂
過載斷裂是指螺栓所承受的軸向載荷大于螺栓強度所允許載荷時螺栓的斷裂。因為螺栓螺紋部位應力面積小,應力較桿部大,所以過載斷裂一般發生在螺紋部位。該種斷裂可從斷裂部位的外形初步判斷。
8.8級螺栓可發現斷裂部位有明顯的縮頸現象;10.9級螺栓也可發現斷裂部位有縮頸現象,但無8.8級螺栓明顯;12.9級螺栓幾乎沒有縮頸現象。
但是8.8級~12.9級螺栓如果因用材不當或熱處理不當,其淬火不透芯部硬度沒有達標,斷口也將出現縮頸,所以,判斷是否過載斷裂時應注意下列兩點:
⑴ 對有縮頸現象的斷口,應在斷裂螺栓上取樣,按GB/T3098.1要求檢測和判斷芯部硬度是否合格,如合格則可確定該螺栓斷裂是過載斷裂。
⑵ 12.9級螺栓只有對斷口進行金相分析才可判斷其是否過載斷裂,因為螺紋部位的表面缺陷和材料缺陷也可造成螺紋部位的斷裂。
過載斷裂一般出現在受軸向載荷的螺栓連接中,主要有以下三個原因:
a、安裝時緊固扭矩太大,預緊力超過了螺栓的強度。在安裝時即可發現。
b、安裝時緊固扭矩過大,預緊力接近螺栓的強度,因為機器運行時螺栓除受殘余預緊力外還要承受工作載荷,兩力之和如果大于螺栓的強度則就出現過載斷裂。而殘余預緊力與預緊力是有關聯的,在工作載荷一定的條件下,預緊力越大殘余預緊力也越大。
c、設計時選用的螺栓螺紋公稱直徑不合適。
4 安裝不當造成的螺栓斷裂
偏載造成的螺栓斷裂圖5是在安裝時發生的斷裂鋼軌用斷裂的高強度接頭螺栓樣件。從圖6~圖8螺栓頭部實物照片上可以看出螺栓支撐面上有月牙形受力承載痕跡,其面積只有支撐面的1/4~1/3,示意圖見圖9。螺栓在靠近斷口的桿部開始向頭部承載痕跡反向方向彎曲(見圖10)。
將對應的樣件頭、桿按斷縫對接,螺栓桿部彎曲方向(見圖11)。根據樣件斷口形狀、頭部支撐面承載痕跡及螺栓的彎曲方向可以斷定,螺栓斷裂是因為嚴重偏載造成的折斷,偏載是由于被緊固連接板上與螺栓接觸的平面處于斜置狀態而造成。
螺栓偏載有兩種原因:
第一種是被緊固零件上與螺栓頭部支撐面接觸的接觸面處于斜置狀態造成偏載(見圖12)。
第二種是螺栓自身的桿部彎曲(直線度)嚴重超標而造成偏載。
這兩種偏載在支撐面實際承載部位與螺栓斷口附近的桿部彎曲方向的相互方位是不一樣的。本案例是第一種原因。如是第二種原因,則其實際承載部位就應為圖12中的B側,而不是A側。
5 總 結
緊固件失效并不一定是緊固件本身的質量問題,一旦緊固件出現斷裂和脫扣后,應按下述過程處理:
用者應保管好試樣,盡量保護好試樣斷口,避免其銹蝕。
根據斷口形式、試樣的外形、試樣表面狀況(是否有受力痕跡)和使用部位的工作情況,初步判斷斷裂原因。
送材料或熱處理的專業人士進行材料金相分析,專業人士將根據斷口上的信息擇位取樣進行金相分析。如試樣金相符合規范,則說明產品沒有質量問題,問題可能出在設計和安裝環節;如試樣金相不符合規范,則證明試樣本身存在質量問題。

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