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力因數(shù)、疲勞、腐蝕和氫脆等原因形成。

    1、應力因數(shù)

    超過常規(guī)應力(超應力)由剪切、拉伸、彎曲和壓縮中的任一個或其組合而產生。

    大多數(shù)設計人員首先考慮的是拉伸負荷、預緊力和附加實用載荷的組合。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。當這些負荷超過螺栓的屈服極限時,螺栓從彈性變形變?yōu)樗苄詤^(qū),導致螺栓永久變形,因此在外部負荷除去時不能再恢復原先的狀態(tài)。類似原因,如果螺栓上的外負荷超過其極限抗拉強度,螺栓將斷裂。

    螺栓擰緊是靠預緊力扭轉得來的。在安裝時,過量的扭矩導致超扭矩,同時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(xù)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就出現(xiàn)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(shù)目很小,一般螺栓不會因扭轉而出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。

    剪切負荷對螺栓縱軸方向施加一個垂直的力。剪切應力分為單剪應力和雙剪應力。從經(jīng)驗數(shù)據(jù)來講,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,它主要起類似銷釘?shù)淖饔?使受剪切的緊固件形成相對簡單的聯(lián)接.缺點是剪切聯(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(shù)據(jù)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,在與螺栓接觸時接合層越易滑動。剪切負荷能力通過乘以橫平面數(shù)計算(一個剪切平面通稱單剪,兩個剪切平面通稱雙剪),這些平面應該是無螺紋螺栓的橫截面。我們不提倡設計通過螺紋的剪切,因為緊固件的剪切強度可在橫截面變化時被應力集中克服。在核定緊固件剪切強度時,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(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。增加配合面之間的摩擦可提高聯(lián)接的整體性,有時候由于零件的大小及設計的需要,會限制必須使用螺栓的數(shù)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,從整體上來講,緊固件聯(lián)接越簡單,其整體性和可靠性就越大。

    2、疲勞

    現(xiàn)在工業(yè)緊固件的有關條例,沒有專門立法指示供應商必須采購符合工業(yè)標準的關鍵元件,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。在長期受到這類雙重負荷情況下,螺栓在小于它們額定抗拉強度下就會造成失效。疲勞壽命取于加載應力循環(huán)的次數(shù)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。操作時的動力與預緊力之間產生多種復合應力。如在反復拉伸運動中,應力變化次數(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)緊固件如內六角螺釘,在一定的彈性范圍內,恒定地伸長和回復到原來的形狀。如果受到超過正常的應力作用,超過了彈性范圍,它們就會產生永久變形直到最后斷裂。伸長-回復一伸長的行為稱為循環(huán)。一個內六角螺釘大約可承受每天240~10°個循環(huán)(最多)

    虛點對角線預示持續(xù)10個百萬循環(huán),以90%概率交變螺釘負荷的平均值。實對角線顯示當螺釘預緊力到100ksi時,動態(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)生開裂。斷裂通常發(fā)生在緊固件最易損壞的點,工程師稱之為“最大應力集中區(qū)域”。一旦應力集中處產生微裂紋后繼續(xù)受到應力,裂紋會迅速擴展,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,不斷設計開發(fā)能夠克服上述致命弱點的、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,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間的相互關系使設定疲勞強度的標準成為-一個困難任務,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強度來測量,這是一個復雜的過程。

    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,都會使緊固.件產生化學腐蝕;其次,緊固件的材料不同,它們的電解電位不同,電位差很容易產生“微電池”。設計人員應根據(jù)金屬的相容性盡量選擇電解電位接近的材料,同時消除電解質的產生的條件,以防止電解腐蝕的產生裂隙。

    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生裂隙。開始,一般在表面形成裂隙坑,然后進一步產生腐蝕,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決定。當剩下的材料功能到了不能承受施加的應力時,就會發(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(xiàn)氫脆的情況。氫脆是引起緊固件斷裂的主要原因。氫脆是氫原子進入并擴散到整個材料基體時的現(xiàn)象。氫原子進人材料基體時,材料基體產生晶格:畸變,破壞了原來的平衡態(tài),因此受到外力很容易開裂。當外負荷施加到螺釘時,氫原子遷移到應力高度集中區(qū),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,它通常會在24h以內產生斷裂。如果當氫進入緊固件后是不可能預測到什么時間會產生斷裂。所以設計人員在使用相關緊固件時,應規(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。許多緊固件相關的因素,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,在使用中會產生噪聲、泄漏,需要計劃外的維護,否則會產生斷裂。例如,震動會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、負荷太高。這些情況中的任何一個都不會造成螺栓的直接斷裂,但會導致聯(lián)接整體性的喪失或最終的螺栓斷裂。