緊固件高強(qiáng)螺栓失效分析
一、通常緊固件的失效
包括下面幾種：
①、裝配擰拉斷裂；
②、螺紋受剪切力擰斷；
③、應(yīng)力集中部位使用后斷裂；
④、疲勞斷裂；
⑤、延時(shí)斷裂；
⑥、零件扭矩報(bào)警；
⑦、螺紋滑牙。
二、失效產(chǎn)生的原因
來(lái)源于下面三個(gè)方面之一或綜合在一起
①、緊固件制造過(guò)程的質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致緊固件失效；
②、緊固件選配或部件的使用問(wèn)題（包括人為的）導(dǎo)致緊固件失效；
③、緊固件裝配問(wèn)題導(dǎo)致緊固件失效。
下面先舉幾個(gè)我們?nèi)粘Ｒ?jiàn)到的例子：
1、為了確定一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否可靠，有很多方法可以進(jìn)行破壞性測(cè)試來(lái)驗(yàn)證確認(rèn)。通常很多生產(chǎn)廠喜歡的是，有意地在受控環(huán)境中（給定工況和載荷譜）破壞一個(gè)組件（例如試驗(yàn)到緊固件斷裂為止），以確定一個(gè)或多個(gè)組件（包括緊固件）的性能，終獲得一些導(dǎo)致產(chǎn)品失效的原因。這方面導(dǎo)致的緊固件失效是人為有意導(dǎo)致的，這種方式及結(jié)果是否*合理不好簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。
2、另外還有消費(fèi)者有意無(wú)意地經(jīng)常地濫用產(chǎn)品。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，一個(gè)人花了更多的時(shí)間在一個(gè)廉價(jià)的桌上擺弄他的沉重的公文包和行李箱，而不是坐在桌子上工作。不久，支撐桌子的緊固件就會(huì)松動(dòng)或破裂而失效，這種緊固件故障可能導(dǎo)致人身傷害，但制造商不太可能召回產(chǎn)品，因?yàn)榭蛻?hù)使用不當(dāng)導(dǎo)致了問(wèn)題。然而，許多產(chǎn)品已經(jīng)被召回，因?yàn)樵谡_使用過(guò)程中已知的緊固件故障可能會(huì)導(dǎo)致輕微或嚴(yán)重的用戶(hù)傷害。
3、另外的例子：沃爾沃汽車(chē)在2017年3月召回了三種車(chē)型，原因是用于固定側(cè)簾安全氣囊的螺栓出現(xiàn)故障?？偟膩?lái)說(shuō)，該公司召回了超過(guò)5500輛S90轎車(chē)和V90越野和XC90豪華運(yùn)動(dòng)型多用途車(chē)在2016年11月和2017年1月之間制造。固定安全氣囊的螺栓制造過(guò)程質(zhì)量沒(méi)有有效管控，可能會(huì)因內(nèi)部氫脆而迅速斷裂。沃爾沃工程師們認(rèn)為，整個(gè)安全氣囊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上是合理的，但由于緊固件制造過(guò)程產(chǎn)生的潛在缺陷導(dǎo)致需要對(duì)整個(gè)氣囊總成進(jìn)行更換。幸運(yùn)的是，這個(gè)缺陷沒(méi)有造成實(shí)質(zhì)的人員傷害。
松動(dòng)的緊固件也可能終失效。兩年前，越野車(chē)制造商北極星不得不召回所有的指揮官車(chē)型，因?yàn)檩斎胼S緊固件松動(dòng)，并允許軸沿動(dòng)力轉(zhuǎn)向花鍵的長(zhǎng)度方向移動(dòng)。在情況下，這種移動(dòng)可能導(dǎo)致軸與花鍵*分離。
通用汽車(chē)公司的工程師們?cè)?014年發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)車(chē)型的緊固件松動(dòng)，導(dǎo)致該公司今年召回了500000多輛汽車(chē)。雪佛蘭黑斑羚有一個(gè)“強(qiáng)力定型”的緊固件，沒(méi)有擰緊到規(guī)范要求的扭矩。而且，雪佛蘭CAMARO和Enimox螺栓松脫；GMC全地形車(chē)；別克君威和長(zhǎng)曲棍球；和凱迪拉克SRX允許前排和乘客座椅自由地上下移動(dòng)。后一種情況導(dǎo)致一次撞車(chē)，三人受傷。
按統(tǒng)計(jì)，在95%的故障中，緊固件在安裝或維修過(guò)程中出了問(wèn)題，另外5%是因?yàn)槭褂昧隋e(cuò)誤的緊固件。
三、緊固件的制造過(guò)程
緊固件與所有其他制造產(chǎn)品有一個(gè)共同點(diǎn)：制造控制得越好，性能越好。在制造過(guò)程中，有幾個(gè)因素影響緊固件質(zhì)量。
如果溫度達(dá)到700攝氏度左右，在熱處理過(guò)程中可能發(fā)生金屬脫碳，而且爐內(nèi)沒(méi)有足夠的保護(hù)氣氛。這可能會(huì)導(dǎo)致螺紋處變軟脫落。”
淬火和回火（或拉伸）是鋼緊固件常用的熱處理工藝之一。緊固件應(yīng)在從淬火中取出后和*冷卻前幾分鐘內(nèi)進(jìn)行回火。否則可能導(dǎo)致淬火開(kāi)裂、過(guò)早失效或使用壽命短于正常使用壽命（見(jiàn)圖1）。
雖然實(shí)驗(yàn)室工程師初認(rèn)為該緊固件頭部因氫脆而失效，但該緊固件有一個(gè)頭部下淬火裂紋。
在緊固件頭部成形過(guò)程中，金屬的晶粒流線(xiàn)在正確的方向上是很重要的。向螺栓頭部與桿部交界處的圓角處急劇移動(dòng)的晶粒流線(xiàn)不能產(chǎn)生良好的流動(dòng)（見(jiàn)圖2）。這可能會(huì)使緊固件在安裝過(guò)程中頭部容易斷裂。
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圖 2
在頭部成形過(guò)程中，金屬的晶粒流線(xiàn)向正確的方向成形是非常重要的。左邊的圖像表示符合SAE USCAR8規(guī)范的可接受顆粒流。
我們?cè)谥圃爝^(guò)程中需要檢查緊固件，以確定合適的晶粒流動(dòng)模式，，檢查員用鹽酸和水將樣品緊固件的頭部分段煮沸1分鐘，這樣就可以很容易地評(píng)估晶粒的流動(dòng)。例如，我們的汽車(chē)客戶(hù)使用的所有頭螺栓和螺釘必須滿(mǎn)足SAE USAC8規(guī)范的晶粒流動(dòng)模式。
當(dāng)扭矩太大時(shí)，靠近頭部的螺紋太近的話(huà)會(huì)增加頭部的壓力。，這種情況也可能導(dǎo)致從頭到桿部的失敗。因?yàn)檫@個(gè)缺陷會(huì)增加徑向應(yīng)力，當(dāng)它出現(xiàn)在緊固件中時(shí)會(huì)加速氫脆（見(jiàn)圖3）。
圖 3
氫脆是緊固件失效的常見(jiàn)原因。照片中的箭頭表示荷載應(yīng)力區(qū)域。
當(dāng)氫在緊固件電鍍過(guò)程中被吸附在鋼中并沿晶界移動(dòng)到應(yīng)力集中時(shí)，會(huì)發(fā)生內(nèi)部氫脆。，這可能會(huì)在負(fù)載下導(dǎo)致突然的災(zāi)難性故障。
大多數(shù)螺紋緊固件都經(jīng)過(guò)電鍍或保護(hù)涂層處理，以防止生銹或腐蝕，然后根據(jù)ASTM B117（鹽霧試驗(yàn)）測(cè)試其抗腐蝕性。如今，許多緊固件都是用相機(jī)或視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械挑選的，這一過(guò)程可能導(dǎo)致保護(hù)涂層的破壞。
在終測(cè)試和裝配的過(guò)程中，每個(gè)緊固件都會(huì)遭受一些或多或少的破壞，導(dǎo)致保護(hù)涂層可能會(huì)受損。在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)過(guò)早的紅色（氧化鐵）銹蝕。
另一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是浸漬旋涂。它提供了*的防腐蝕保護(hù)，但當(dāng)過(guò)多的電鍍填充小螺釘?shù)念^部時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致不能順利的鉆孔。
緊固件的幾何結(jié)構(gòu)、材料、熱處理、表面處理和其他因素都會(huì)影響其從裝配到安裝產(chǎn)品的使用壽命期間的性能，因此，始終將緊固件視為工程部件而不是簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)件。”
四、緊固件選擇和配合
高質(zhì)量的緊固要求緊固件與所連接的材料以及緊固件（如果是螺栓）與螺母匹配。例如，使用帶有5級(jí)螺母的8級(jí)螺栓將產(chǎn)生低于預(yù)期的夾緊力。
“由于產(chǎn)品小型化，正確的緊固件選擇比以往任何時(shí)候都更加重要，我們總希望緊固件處理相同的負(fù)載，但要在更小的空間內(nèi)使用更輕、更薄的材料。”
不建議使用“看起來(lái)不錯(cuò)”的螺栓和螺母。一個(gè)例子是，我們到很多汽車(chē)修理廠，在工人使用的同一個(gè)緊固件盒子里發(fā)現(xiàn)了三種不同等級(jí)的螺母混在一起。
“重復(fù)使用的螺母上的螺紋比配對(duì)螺栓上的螺紋稍軟，此外，由于螺紋摩擦增加，每次額外使用時(shí)，這些螺紋都會(huì)被壓縮并不斷失去夾緊載荷。您可以看到這種情況對(duì)車(chē)輪螺柱的影響，這些螺柱通常在行駛120000英里左右后失效。”
在緊固連接設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師通常只關(guān)注緊固件的直徑、長(zhǎng)度、數(shù)量和美觀性，而不是深入分析這些特性如何導(dǎo)致失效。產(chǎn)品設(shè)計(jì)師決不能認(rèn)為大直徑或高強(qiáng)度緊固件意味著裝配所需的此類(lèi)緊固件更少。
四年前，一架Savanna VGW螺旋槳飛機(jī)在山上的墜毀，原因是兩個(gè)尺寸不符合的螺栓在飛機(jī)降落時(shí)失靈。直徑為0.25英寸的螺栓本來(lái)是用來(lái)固定起落架前叉的，但由于反復(fù)使用導(dǎo)致過(guò)載而失效。故障發(fā)生后，起落架輪子彎曲，飛機(jī)翻倒在草皮上。飛行員受了輕傷，但飛機(jī)受損嚴(yán)重。
如果沒(méi)有實(shí)際的測(cè)試，根據(jù)內(nèi)部設(shè)計(jì)指南和VDI 2230指南（德國(guó)緊固標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)應(yīng)用所需的摩擦特性進(jìn)行假設(shè)是很容易的。這樣做可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的緊固件能夠承受的夾緊負(fù)載過(guò)多或不足。從純粹的緊固件連接設(shè)計(jì)角度來(lái)看，我發(fā)現(xiàn)我們遇到的大多數(shù)緊固件故障都可以歸因于裝配扭矩計(jì)算不正確。”
建議不要在同一部件中不同類(lèi)型的螺栓或過(guò)長(zhǎng)的螺栓。在前一種情況下，硬度較高的緊固件終將承載大部分載荷。太長(zhǎng)螺栓上的螺紋在連接處的減震會(huì)相對(duì)較少，實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域過(guò)早的金屬疲勞。
美學(xué)是一個(gè)合理的考慮。制造商通常希望緊固件頭能增強(qiáng)組裝產(chǎn)品的外觀。例如，哈雷戴維森使用鍍鉻和不銹鋼螺母和螺栓組裝摩托車(chē)鏈輪、控制臺(tái)和空氣濾清器。這些緊固件必須仍然能夠抵抗振動(dòng)和環(huán)境濕度。
制造商防止緊固件失效的另一種方法是只購(gòu)買(mǎi)*符合所有設(shè)計(jì)規(guī)范的緊固件。幾年前，波音公司開(kāi)始更加嚴(yán)格地執(zhí)行其拒絕向公司供應(yīng)所有不合格緊固件的政策。此舉是對(duì)美國(guó)（faa）計(jì)劃罰款波音275萬(wàn)美元的回應(yīng)，原因是該公司2008年在777型飛機(jī)上安裝了不合格的緊固件。當(dāng)時(shí)，波音公司正遭遇意外的螺母和螺栓短缺，但希望維持生產(chǎn)進(jìn)度。
五、緊固件的裝配
正確的制造和選擇是防止緊固件失效的重要步。擰緊過(guò)程中確保達(dá)到規(guī)定的要求（很多情況下特別是野外維修維護(hù)都可能會(huì)出現(xiàn)達(dá)要么不到規(guī)范要求要么過(guò)度擰緊），并保持緊固件螺紋完整性。
過(guò)度擰緊可能導(dǎo)致裝配過(guò)程中緊固件斷裂，這是顯而易見(jiàn)的，也可能導(dǎo)致螺紋剝離，這可能不是那么明顯。后者特別危險(xiǎn)，因?yàn)槁菟ㄟB接的完整性可能會(huì)受到損害，組裝人員無(wú)法檢測(cè)到。
正確理解緊固件的潤(rùn)滑性（摩擦和扭矩系數(shù)等）有助于終用戶(hù)在使用扭矩時(shí)獲得夾緊載荷。然而，緊固件上不需要的潤(rùn)滑劑，如裝配工手中的一點(diǎn)油，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)緊。這會(huì)通過(guò)增加夾緊力來(lái)改變連接處的扭矩-張力值。當(dāng)緊固件未充分?jǐn)Q緊至較低的夾緊載荷時(shí)，超過(guò)該夾緊載荷的周期性或波動(dòng)性載荷可能很快導(dǎo)致疲勞。
未擰緊的緊固件承受的外部載荷比預(yù)期的要大。可能先出現(xiàn)一些小的異常噪音如吱吱聲和嘎嘎聲，一直到災(zāi)難性的疲勞失效。
擰緊不足也有可能是由于嵌件松弛造成的，例如，當(dāng)螺栓嵌入軟材料中時(shí)，無(wú)法*壓緊連接處。螺母裝配不當(dāng)是擰緊不足的另一個(gè)原因。當(dāng)螺母擰下得太快時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反彈效應(yīng)，擰緊處會(huì)稍微回彈松動(dòng)。此外，由于螺栓長(zhǎng)度范圍內(nèi)的扭轉(zhuǎn)性松弛，擰緊螺栓頭部而不是螺母會(huì)減少10%到15%的夾緊載荷。
螺紋需要盡可能保持清潔，盡管有少量潤(rùn)滑劑，以便于安裝和拆卸。即使螺紋上的微小顆粒物也會(huì)降低緊固件在安裝過(guò)程中的摩擦系數(shù)。這會(huì)增加結(jié)合處張力和應(yīng)力，使緊固件容易發(fā)生故障。緊固件摩擦系數(shù)平均為0.15，但根據(jù)潤(rùn)滑劑和緊固件鍍層的不同而有所不同。
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