A.分析流程

当我们确定任何一种失效的根本原因时,必须遵守相应的指南或者提出一些问题。调查的首要部分是收集尽可能多的和紧固件应用相关的信息。

1. 紧固件是如何被安装的,用手、气动工具、或者扭矩扳手?

2. 用到的辅助组件,平垫圈类型;螺母等级,光洁度、表面涂层?

3. 作用与连接处的外载荷类型:重在冲击载荷、振动、旋转,静载荷,轴向载荷或者是横向载荷?

4. 载荷的大小?

5. 环境?

6. 连接处是否是多个紧固件?

7. 多个联接螺栓是如何紧固的,交叉紧固、逐步加载,或者一个挨一个的拧紧?

8. 从哪里施加的凝聚拧紧的,螺栓头或者是螺母、又或者是螺栓头螺母交替拧紧的?

9. 连接的状态怎么样,生锈的、喷漆表面、粗糙的、光滑的、图润滑的表面?

10. 失效零件的状态如何,喷漆的,生锈的、有油脂的、热烧伤的?

11. 断裂表面的状态是什么样的,光滑的、发暗的、光亮的、生锈的?

12. 断裂的部位,头部、螺纹过渡处、外部裂纹?

13. 该批螺栓是否有机械性能或者化学成分的测试报告?

B.调查取证

现在需要我们来把我们收集的资料进行分类了,有时我们可以通过样品的表观和断面来判断到底发生了什么,这样可以缩小失效可能的范围。

例如,韧性断裂会显示为有夹杂的凹涡,或者杯形或锥形的暗带。也会显现其他形式的变形,因为材料在发生极限断裂前会发生形变。然而,如果加载很快如,冲击或快速拧紧,韧性材料也有可能发生脆性断裂。例如再利用非可调式气动工具紧固螺栓时。

检查螺栓的螺纹部分,看螺距是否有变化,这可以帮我们判断螺栓是否承受了较大的载荷,如果螺距变大,说明螺栓应力超出了屈服应力。

图1.韧性断裂

脆性断裂一般情况下端面是平的,端面和疲劳失效相似,不过看上去更光亮一些,露出晶粒状断裂。脆性断裂不会显示处形变的迹象,有些断裂会显示指向应力起始点的锯齿痕或瀑布纹。

图2.脆性断裂

金属疲劳会显示贝壳纹或沙滩条纹贯穿疲劳断面,这里会有一系列的带状暗带或亮带或者二者兼有,暗带预示着低频率振动,而亮带则是由于高周波冲击载荷引起。

图3.金属疲劳断裂

下面的图片中是车轮螺栓的疲劳断裂,断裂区有多个应力起始点,这意味着车轮螺栓在松弛转台经历了旋转载荷和弯曲载荷。

通常,疲劳断裂发生在第一个螺纹或者第一个未合螺母旋合的螺纹。

图4.多个疲劳起始点

涂层的影响在高温应用场合会有所不同,

如果一个全金属锁紧螺母从涡轮增压器或者压力锅炉脱出,他内部看上去会像图5.金色的螺母一般是镀镉的,在204℃时会发生液体金属脆断,液体金属脆断是和时间相关的,低温时脆断发生的时间比高温要长。镀锌也会引起液体金属脆断,但发生的温度更高。

图5.液体金属脆断

C.原因分析

C.1. 紧固件是如何安装的?

如何安装紧固件对紧固件的影响非常大,因为永远不可能均匀地用手拧紧螺栓,螺栓摩擦系数不同、每个安转人员对是否拧紧的感觉也不同。有时标准扳手的长度并不能提供合适的杠杆来拧紧高强度螺栓。

扭矩扳手精度很好,但其他因素的影响,主要是摩擦系数不确定,导致最终预紧力不精确。

气动扳手大部分情况是无法调节输出扭矩的,通常设定一个时速点。如果螺栓充分润滑,螺母螺纹有可能脱扣或者螺栓被过渡拉长。

气动工具很快,有时会引起螺纹擦伤或者不锈钢螺纹咬死,甚至是不同的不锈钢,是速度损伤了紧固件。组装的速度也可能会引起螺栓欠预紧进而发生疲劳失效,因为高速推进螺母会使螺母猛击连接面,连接面也会对螺母施加一个同样的反作用力这会使螺栓达不到预期的预紧力。

图6.冲击扳手作用于螺母

冲击扳手一定会留下不当使用的痕迹,在上图中,六角头的脚部有与套筒的角部撞击的痕迹。

C.2 用到的辅助部件

这主要是检查螺栓或者螺母的性能等级或强度等级已确定螺母螺栓是否匹配。如果不匹配,会有螺纹脱扣或者疲劳痕迹在断裂面上因为夹紧力损失。

如果使用锻造垫圈(未热处理)于8.8级或更高等级的螺栓连接,夹紧力也可能损失掉。如果垫圈有明显的压痕,说明螺栓夹紧力已经损失了。用于疲劳工况的垫圈引起夹紧力损失进而导致早期失效。

图7.螺母变形

C.3 外载荷类型和载荷大小

选取合适的螺栓取决于螺栓在服务周期中经历怎样的载荷。如果螺栓弯了,说明选取的螺栓强度或者公称直径不合适。如果螺栓没有适当地预紧或维护重载振动载荷或者冲击载荷会引起疲劳失效。在连接处也需要有多个螺栓来承受连接载荷以降低单个螺栓的综合应力。

C.4环境

图8.应力腐蚀断裂

有些腐蚀环境可能导致腐蚀应力断裂,在腐蚀环境下金属晶界受到化学攻击。滞留水会形成电解池引起氢脆。

当断裂面有锈蚀时,这意味着断裂并非新生成,而是已经扩展有一段时间了。这也可能引起其他应力起始点。

农业机械会受到严重的化学腐蚀即使每天都清洗。有些把螺栓换成了不锈钢螺栓以避免频繁更换生锈的螺栓。不幸的是,不锈钢螺栓可能会弯或者疲劳断裂,因为不锈钢螺栓可能没有原来的螺栓强度高。

C.5多螺栓组合

如果在一个连接处用多螺栓组合而没有均匀地预紧,载荷分布可能成为大问题。当不均匀紧固发生时,整个连接开始损失夹紧力,夹紧力最小的那个螺栓承受最大的疲劳载荷,发生疲劳断裂,而他紧邻的螺栓需要承担额外的极限载荷,随之发生失效,多米诺效应就发生了。

图9.多螺栓断裂

断裂面会通过断裂过程告诉我们哪一个螺栓先失效哪一个后失效。第一个显露的疲劳裂纹沿整个界面扩展,第二个螺栓不像第一个那么提前断裂了,以此类推,直到最后一个可能就是韧性拉断了(上图从右数第三个)。

同时也要注意断面生锈面积的大小,这也可以判断断裂的先后顺序。

C.6连接件表面的状态

连接表面能告诉我们紧固扭矩的离散度,螺纹和螺母承压面如果涂润滑油或脂,可以使摩擦系数更趋于一致,夹紧力也会比较均匀。螺栓孔的边缘的毛刺可能损伤螺栓头颈部的圆角导致螺栓头断裂,不平整的连接表面会消耗额外的夹紧力使连接面贴合,随着一段时间的运行,夹紧力会有一大部分的损失,导致最终的疲劳断裂。