螺栓失效分析方法

A．分析流程當(dāng)我們確定任何一種失效的根本原因時(shí)，必須遵守相應(yīng)的指南或者提出一些問(wèn)題。調(diào)查的首要部分是收集盡可能多的和緊固件應(yīng)用相關(guān)的信息。1.緊固件是如何被安裝的，用手、氣動(dòng)工具、或者扭矩扳手？2.用到的輔助組件，平墊圈類(lèi)型；螺母等級(jí)，光潔度、表面涂層？3.作用與連接處的外載荷類(lèi)型：重在沖擊載荷、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，靜載荷，軸向載荷或者是橫向載荷？4.載荷的大?。?.環(huán)境？6.連接處是否是多個(gè)緊固件？7.多個(gè)聯(lián)接螺栓是如何緊固的，交叉緊固、逐步加載，或者一個(gè)挨一個(gè)的擰緊？8.從哪里施加的凝聚擰緊的，螺栓頭或者是螺母、又或者是螺栓頭螺母交替擰緊的？9.連接的狀態(tài)怎么樣，生銹的、噴漆表面、粗糙的、光滑的、圖潤(rùn)滑的表面？10.失效零件的狀態(tài)如何，噴漆的，生銹的、有油脂的、熱燒傷的？11.斷裂表面的狀態(tài)是什么樣的，光滑的、發(fā)暗的、光亮的、生銹的？12.斷裂的部位，頭部、螺紋過(guò)渡處、外部裂紋？13.該批螺栓是否有機(jī)械性能或者化學(xué)成分的測(cè)試報(bào)告？B．調(diào)查取證現(xiàn)在需要我們來(lái)把我們收集的資料進(jìn)行分類(lèi)了，有時(shí)我們可以通過(guò)樣品的表觀和斷面來(lái)判斷到底發(fā)生了什么，這樣可以縮小失效可能的范圍。例如，韌性斷裂會(huì)顯示為有夾雜的凹渦，或者杯形或錐形的暗帶。也會(huì)顯現(xiàn)其他形式的變形，因?yàn)椴牧显诎l(fā)生極限斷裂前會(huì)發(fā)生形變。然而，如果加載很快如，沖擊或快速擰緊，韌性材料也有可能發(fā)生脆性斷裂。例如再利用非可調(diào)式氣動(dòng)工具緊固螺栓時(shí)。檢查螺栓的螺紋部分，看螺距是否有變化，這可以幫我們判斷螺栓是否承受了較大的載荷，如果螺距變大，說(shuō)明螺栓應(yīng)力超出了屈服應(yīng)力。圖1.韌性斷裂脆性斷裂一般情況下端面是平的，端面和疲勞失效相似，不過(guò)看上去更光亮一些，露出晶粒狀斷裂。脆性斷裂不會(huì)顯示處形變的跡象，有些斷裂會(huì)顯示指向應(yīng)力起始點(diǎn)的鋸齒痕或瀑布紋。圖2.脆性斷裂金屬疲勞會(huì)顯示貝殼紋或沙灘條紋貫穿疲勞斷面，這里會(huì)有一系列的帶狀暗帶或亮帶或者二者兼有，暗帶預(yù)示著低頻率振動(dòng)，而亮帶則是由于高周波沖擊載荷引起。圖3.金屬疲勞斷裂下面的圖片中是車(chē)輪螺栓的疲勞斷裂，斷裂區(qū)有多個(gè)應(yīng)力起始點(diǎn)，這意味著車(chē)輪螺栓在松弛轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)歷了旋轉(zhuǎn)載荷和彎曲載荷。通常，疲勞斷裂發(fā)生在第一個(gè)螺紋或者第一個(gè)未合螺母旋合的螺紋。圖4.多個(gè)疲勞起始點(diǎn)涂層的影響在高溫應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)有所不同，如果一個(gè)全金屬鎖緊螺母從渦輪增壓器或者壓力鍋爐脫出，他內(nèi)部看上去會(huì)像圖5.金色的螺母一般是鍍鎘的，在204℃時(shí)會(huì)發(fā)生液體金屬脆斷，液體金屬脆斷是和時(shí)間相關(guān)的，低溫時(shí)脆斷發(fā)生的時(shí)間比高溫要長(zhǎng)。鍍鋅也會(huì)引起液體金屬脆斷，但發(fā)生的溫度更高。圖5.液體金屬脆斷C．原因分析C．1.緊固件是如何安裝的？如何安裝緊固件對(duì)緊固件的影響非常大，因?yàn)橛肋h(yuǎn)不可能均勻地用手?jǐn)Q緊螺栓，螺栓摩擦系數(shù)不同、每個(gè)安轉(zhuǎn)人員對(duì)是否擰緊的感覺(jué)也不同。有時(shí)標(biāo)準(zhǔn)扳手的長(zhǎng)度并不能提供合適的杠桿來(lái)擰緊高強(qiáng)度螺栓。扭矩扳手精度很好，但其他因素的影響，主要是摩擦系數(shù)不確定，導(dǎo)致最終預(yù)緊力不精確。氣動(dòng)扳手大部分情況是無(wú)法調(diào)節(jié)輸出扭矩的，通常設(shè)定一個(gè)時(shí)速點(diǎn)。如果螺栓充分潤(rùn)滑，螺母螺紋有可能脫扣或者螺栓被過(guò)渡拉長(zhǎng)。氣動(dòng)工具很快，有時(shí)會(huì)引起螺紋擦傷或者不銹鋼螺紋咬死，甚至是不同的不銹鋼，是速度損傷了緊固件。組裝的速度也可能會(huì)引起螺栓欠預(yù)緊進(jìn)而發(fā)生疲勞失效，因?yàn)楦咚偻七M(jìn)螺母會(huì)使螺母猛擊連接面，連接面也會(huì)對(duì)螺母施加一個(gè)同樣的反作用力這會(huì)使螺栓達(dá)不到預(yù)期的預(yù)緊力。圖6.沖擊扳手作用于螺母沖擊扳手一定會(huì)留下不當(dāng)使用的痕跡，在上圖中，六角頭的腳部有與套筒的角部撞擊的痕跡。C．2用到的輔助部件這主要是檢查螺栓或者螺母的性能等級(jí)或強(qiáng)度等級(jí)已確定螺母螺栓是否匹配。如果不匹配，會(huì)有螺紋脫扣或者疲勞痕跡在斷裂面上因?yàn)閵A緊力損失。如果使用鍛造墊圈（未熱處理）于8.8級(jí)或更高等級(jí)的螺栓連接，夾緊力也可能損失掉。如果墊圈有明顯的壓痕，說(shuō)明螺栓夾緊力已經(jīng)損失了。用于疲勞工況的墊圈引起夾緊力損失進(jìn)而導(dǎo)致早期失效。圖7.螺母變形C．3外載荷類(lèi)型和載荷大小選取合適的螺栓取決于螺栓在服務(wù)周期中經(jīng)歷怎樣的載荷。如果螺栓彎了，說(shuō)明選取的螺栓強(qiáng)度或者公稱(chēng)直徑不合適。如果螺栓沒(méi)有適當(dāng)?shù)仡A(yù)緊或維護(hù)重載振動(dòng)載荷或者沖擊載荷會(huì)引起疲勞失效。在連接處也需要有多個(gè)螺栓來(lái)承受連接載荷以降低單個(gè)螺栓的綜合應(yīng)力。C．4環(huán)境圖8.應(yīng)力腐蝕斷裂有些腐蝕環(huán)境可能導(dǎo)致腐蝕應(yīng)力斷裂，在腐蝕環(huán)境下金屬晶界受到化學(xué)攻擊。滯留水會(huì)形成電解池引起氫脆。當(dāng)斷裂面有銹蝕時(shí)，這意味著斷裂并非新生成，而是已經(jīng)擴(kuò)展有一段時(shí)間了。這也可能引起其他應(yīng)力起始點(diǎn)。農(nóng)業(yè)機(jī)械會(huì)受到嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕即使每天都清洗。有些把螺栓換成了不銹鋼螺栓以避免頻繁更換生銹的螺栓。不幸的是，不銹鋼螺栓可能會(huì)彎或者疲勞斷裂，因?yàn)椴讳P鋼螺栓可能沒(méi)有原來(lái)的螺栓強(qiáng)度高。C．5多螺栓組合如果在一個(gè)連接處用多螺栓組合而沒(méi)有均勻地預(yù)緊，載荷分布可能成為大問(wèn)題。當(dāng)不均勻緊固發(fā)生時(shí)，整個(gè)連接開(kāi)始損失夾緊力，夾緊力最小的那個(gè)螺栓承受最大的疲勞載荷，發(fā)生疲勞斷裂，而他緊鄰的螺栓需要承擔(dān)額外的極限載荷，隨之發(fā)生失效，多米諾效應(yīng)就發(fā)生了。圖9.多螺栓斷裂斷裂面會(huì)通過(guò)斷裂過(guò)程告訴我們哪一個(gè)螺栓先失效哪一個(gè)后失效。第一個(gè)顯露的疲勞裂紋沿整個(gè)界面擴(kuò)展，第二個(gè)螺栓不像第一個(gè)那么提前斷裂了，以此類(lèi)推，直到最后一個(gè)可能就是韌性拉斷了（上圖從右數(shù)第三個(gè)）。同時(shí)也要注意斷面生銹面積的大小，這也可以判斷斷裂的先后順序。C．6連接件表面的狀態(tài)連接表面能告訴我們緊固扭矩的離散度，螺紋和螺母承壓