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紧固件螺栓断裂的原因有多种多样,归纳来说,一般螺栓的损坏由应力因数、疲劳、腐蚀和氢脆等原因形成。
螺栓拧紧是靠预紧力扭转得来的。在安装时,过量的扭矩导致超扭矩,同时也使紧固件受到了超应力而降低了紧固件的轴向抗拉强度,即在连续扭转的螺栓与直接受张力拉伸的相同螺栓相比,屈服值比较低。这样,螺栓有可能在不到相应标准的小抗拉强度时就出现屈服。扭转力矩大可以使螺栓预紧力增大.使接合松弛相应减少。为了增加锁紧力,预紧力一般采取上限。这样,除非屈服强度和极限抗拉强度之间差异数目很小,一般螺栓不会因扭转而出现屈服现象。
紧固件预紧力影响剪切联接的整体性。预紧力越低,在与螺栓接触时接合层越易滑动。剪切负荷能力通过乘以橫平面数计算(一个剪切平面通称单剪,两个剪切平面通称双剪),这些平面应该是无螺纹螺栓的横截面。我们不提倡设计通过螺纹的剪切,因为紧固件的剪切强度可在横截面变化时被应力集中克服。在核定紧固件剪切强度时,有些设计人员采用抗拉应力面积,而另一些设计人员优选小直径截面。如果剪切联接中螺栓扭转到规定值(如图2所示),接触层的配合面在外未超过摩擦阻力前,不能开始滑动。增加配合面之间的摩擦可提高联接的整体性,有时候由于零件的大小及设计的需要,会限制必须使用螺栓的数目。
现在工业紧固件的有关条例,没有专门立法指示供应商必须采购符合工业标准的关键元件,特别是没有提到造成紧固件失效的主要原因一一疲劳。 疲劳造成的损坏估计要占到紧固件失效的总量的85%。
螺栓中的疲劳是循环拉伸负荷的不断作用,这样螺栓受到比较小的预紧力和交变工作负荷的作用。在长期受到这类双重负荷情况下,螺栓在小于它们额定抗拉强度下就会造成失效。疲劳寿命取于加载应力循环的次数和振幅。有些受压的联接件.如压机、冲压设备和模压机械中也可能存在疲劳断裂。操作时的动力与预紧力之间产生多种复合应力。如在反复拉伸运动中,应力变化次数和振幅大小受到疲劳程度、损坏程度的影响。
螺栓断裂另一原因是腐蚀。腐蚀有许多形式,包括普通腐蚀、化学腐蚀、电解腐蚀和应力腐蚀。电解腐蚀是:首先紧固件暴露在外,受到雨水或酸雾等各种湿润试剂的侵蚀,这些都是电解质,都会使紧固.件产生化学腐蚀;其次,紧固件的材料不同,它们的电解电位不同,电位差很容易产生“微电池”。设计人员应根据金属的相容性尽量选择电解电位接近的材料,同时消除电解质的产生的条件,以防止电解腐蚀的产生裂隙。
高强度钢紧固件(一般洛氏硬度为C36以_上)更易出现氢脆的情况。氢脆是引起紧固件断裂的主要原因。氢脆是氢原子进入并扩散到整个材料基体时的现象。氢原子进人材料基体时,材料基体产生晶格:畸变,破坏了原来的平衡态,因此受到外力很容易开裂。当外负荷施加到螺钉时,氢原子迁移到应力高度集中区,造成晶体界边缘之间极大的应力,这导致紧固件晶体颗粒间破裂。
当紧固件在安装前就含有临界状态的氢时,它通常会在24h以内产生断裂。如果当氢进入紧固件后是不可能预测到什么时间会产生断裂。所以设计人员在使用相关紧固件时,应规定选用有专门的工艺处理和使用潜在氢脆小化的供应商。
联接断裂不是始终直接与灾难性的紧固件断裂有关。许多紧固件相关的因素,比如预紧力的丧失或紧固件联接疲劳可造成磨损;紧固件中心偏移,在使用中会产生噪声、泄漏,需要计划外的维护,否则会产生断裂。例如,震动会降低螺纹的摩擦阻力,而且紧固件联接在安装后因工作负荷的施加而松弛,这些因素和螺栓的高温蠕变可导致预紧力丧失。有时候联接的断裂可归于通过的孔太大或太小、承载面积太小、材料太软、负荷太高。这些情况中的任何一个都不会造成螺栓的直接断裂,但会导致联接整体性的丧失或终的螺栓断裂。
