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
來源于下面三個(gè)方面之一或綜合在一起
①、緊固件制造過程的質(zhì)量問題導(dǎo)致緊固件失效;
②、緊固件選配或部件的使用問題(包括人為的)導(dǎo)致緊固件失效;
③、緊固件裝配問題導(dǎo)致緊固件失效。
下面先舉幾個(gè)我們?nèi)粘R姷降睦樱?br>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)者有意無意地經(jīng)常地濫用產(chǎn)品。舉個(gè)例子來說,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)榭蛻羰褂貌划?dāng)導(dǎo)致了問題。然而,許多產(chǎn)品已經(jīng)被召回,因?yàn)樵谡_使用過程中已知的緊固件故障可能會(huì)導(dǎo)致輕微或嚴(yán)重的用戶傷害。
3、另外的例子:沃爾沃汽車在2017年3月召回了三種車型,原因是用于固定側(cè)簾安全氣囊的螺栓出現(xiàn)故障。總的來說,該公司召回了超過5500輛s90轎車和v90越野和xc90豪華運(yùn)動(dòng)型多用途車在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程質(zhì)量沒有有效管控,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,越野車制造商北極星不得不召回所有的指揮官車型,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。
通用汽車公司的工程師們?cè)?014年發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)車型的緊固件松動(dòng),導(dǎo)致該公司今年召回了500000多輛汽車。雪佛蘭黑斑羚有一個(gè)“強(qiáng)力定型”的緊固件,沒有擰緊到規(guī)范要求的扭矩。而且,雪佛蘭camaro和enimox螺栓松脫;gmc全地形車;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,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程中出了問題,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,在熱處理過程中可能發(fā)生金屬脫碳,而且爐內(nèi)沒有足夠的保護(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)致淬火開裂、過早失效或使用壽命短于正常使用壽命(見圖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程中,金屬的晶粒流線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)的晶粒流線不能產(chǎn)生良好的流動(dòng)(見圖2)。這可能會(huì)使緊固件在安裝過程中頭部容易斷裂。
在頭部成形過程中,金屬的晶粒流線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^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,我們的汽車客戶使用的所有頭螺栓和螺釘必須滿足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。
氫脆是緊固件失效的常見原因。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)或視覺系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械挑選的,這一過程可能導(dǎo)致保護(hù)涂層的破壞。
在終測(cè)試和裝配的過程中,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。在使用過程中可能出現(xiàn)過早的紅色(氧化鐵)銹蝕。
另一個(gè)常見的問題是浸漬旋涂。它提供了的防腐蝕保護(hù),但當(dāng)過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“看起來不錯(cuò)”的螺栓和螺母。一個(gè)例子是,我們到很多汽車修理廠,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英寸的螺栓本來是用來固定起落架前叉的,但由于反復(fù)使用導(dǎo)致過載而失效。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)載過多或不足。從純粹的緊固件連接設(shè)計(jì)角度來看,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型的螺栓或過長(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買符合所有設(shè)計(jì)規(guī)范的緊固件。幾年前,波音公司開始更加嚴(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)美國聯(lián)邦局(faa)計(jì)劃罰款波音275萬美元的回應(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)范要求要么過度擰緊),并保持緊固件螺紋完整性。
過度擰緊可能導(dǎo)致裝配過程中緊固件斷裂,這是顯而易見的,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)致過緊。這會(huì)通過增加夾緊力來改變連接處的扭矩-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。
關(guān)鍵詞:空氣濾清器