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螺纹紧固件的失效

发表时间:2020-4-6 9:31:55  作者:三圆  来源:三圆  浏览量:2360

紧固件在结构连接中发挥着非常关键的作用,不仅在航空领域,也包括汽车、能源发电、高铁等工业领域。紧固件发生失效,随之而来的灾难性后果,让人无法想象。紧固件的失效模式有很多种,过载、腐蚀开裂以及疲劳失效等较为常见。

过载

过载发生在紧固件的安装或使用过程中,由外部施加的载荷引起;对于过载的预防,应对紧固件材料特性进行评估,以确定其强度属性,进而确定引起材料失效的载荷极限值。

当螺栓与螺母相配合时,如果发生过载问题,其失效形式可能会有以下几种情况:

螺栓在螺纹区域发生断裂;
当螺母的材料比螺栓的强度大很多并且螺纹啮合的长度小于螺栓公称直径的60%时,螺栓会发生螺纹滑丝;
当螺栓材料明显强于螺母材料且螺纹啮合长度不足时,螺母会发生螺纹滑丝。

对于设计选用来说,最好是将螺纹的失效模式选择为螺栓发生断裂,而不是选择发生螺纹滑丝。这是因为在螺栓预紧的过程中,我们通常会通过提高预紧力来提高连接强度,当扭力值突破螺栓的屈服强度后,如果螺栓发生断裂失效,这种失效方式是可见的;而螺纹滑丝是一种潜在的失效模式,失效的螺纹是逐渐扩大的,因此在安装和维修时很难预测。

腐蚀开裂

我们常常提到的氢脆就是一种常见的应力腐蚀开裂现象,是紧固件发生的一种重要失效模式。氢脆多是由于制造不当造成的,特别是在电镀工艺中,酸洗会造成原子氢被吸收到紧固件表面。如果在烘烤过程中没有释放出这些氢原子,那么当施加载荷或应力时,氢原子会逐渐向最高应力点集中,造成最终韧性断裂。

除此之外,氢原子的来源可能从制造紧固件的原材料中就已经存在,因此有必要掌握一些应对氢脆的方法:

1)硬度是氢脆的主要原因,越是坚硬的材料越容易发生,当紧固件材料的硬度超过40HRC时,需要注意氢脆的发生;
2)在酸洗过程中会引入氢原子,如果酸性溶液浓度高、零件浸入酸性溶液的时间长,必定会增加氢脆的可能;
3)如果需要电镀处理,需要根据紧固件的类型、尺寸以及几何形状等变量,适当调整紧固件烘烤的温度和时间,以消除氢原子。

疲劳失效

疲劳失效是引起紧固件断裂的最常见原因,紧固件的材料、几何形状、平均应力,甚至组装参数都会对疲劳特性产生影响。紧固件的组装过程是对疲劳性能最重要、但是往往经常被忽视的环节。较高的预紧力有可能事与愿违,增加螺栓失效的可能。因此,正确地理解预紧力对于紧固件的设计选用和失效分析都至关重要。

对于螺纹紧固件来说,我们需要搞清楚一点,预紧力与安装时的扭力,这二者是有差异的。从理论上来说,它们二者相关,但是区别在于摩擦力的存在。螺纹紧固件安装的过程中,内外螺纹之间的摩擦,以及紧固件与连接板之间的摩擦都会使预紧力小于输入的扭力。通常来说,增加预紧力可以降低紧固件松动的可能,因此追求高预紧力是正确的,但是如果超过屈服极限,这就是前面提到的过载问题了。

紧固件的任何失效都会带来灾难性的后果,为了避免发生失效,需要对产品进行严格的、广泛的质量检测。然而,在大多数应用中,这种严格的、广泛的测试几步经济也不实用,更多的还是依靠工程师在选用阶段的经验来人为地降低失效的风险。

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