緊固件失效的原因有很多,但據調查統計,大多數失效,都是由于安裝或使用錯誤造成的。不到 1% 的原因,是材料本身缺陷導致的。其中,常見的失效來自:緊固件過載和負載不足,有很多因素會導致這一現象。
1、過載
過載,指螺栓已被拉伸超過其屈服強度。
這種類型的失效可以通過螺紋部分的“縮頸”外觀來識別。過載的緊固件會導致連接松動。如果外部載荷超過保載或屈服強度,緊固件會有輕微伸長。
當外部載荷被移除時,接頭恢復到彈性狀態,但螺栓已經產生了塑性變形,可能沒有“縮頸”的現象,但螺距發生了變化。所以,檢查擰緊后的緊固件螺距是必要的,因為螺紋變形并不總是可見的,可以用螺紋環規檢查有問題的緊固件的螺距。
然而,當無法獲得環規時,可以用相同直徑和螺距的新螺栓來比較螺距。檢查螺紋的整個長度也是非常重要的,因為嚙合螺紋部分,螺距基本不會發生變化。因為,所有的拉伸和螺紋變形都發生在螺母頭和螺栓頭之間。
2、過載原因
(1)、螺栓強度不足
安裝扭矩過大,預緊力接近螺栓的強度。
因為機器運行時螺栓除受殘余預緊力外還要承受工作載荷,兩力之和如果大于螺栓的強度則就出現過載斷裂。
(2)、不合理的扭矩
緊固扭矩太大,預緊力超過了螺栓的強度,在安裝時即可發現。
(3)、潤滑
當螺栓扭緊時,潤滑油減少了配合螺紋之間的摩擦。過低的摩擦系數會導致緊固件被拉伸超過其屈服點。
(4)、動力扳手
氣動或液壓動力依靠壓力調節,控制不準確。氣動扳手比液壓扳手快得多,由于慣性,扳手繼續轉動,會導致緊固件超過屈服點。
沖擊扳手的使用情況可以從螺母的六角損壞中看出,套筒不斷地撞擊螺母的角,造成明顯的變形 。
(5)、裝配速度
如果裝配速度高,螺栓更有可能被拉伸到屈服或斷裂,因為速度過快會降低摩擦。
速度過快,也會導致回彈效應,在某些情況下,當連接材料從壓縮中恢復形狀時,可能會導致緊固件被拉伸到屈服。
(6)、升高的溫度
連接材料受熱膨脹。如果在連接時將緊固件擰緊到屈服,則連接處的膨脹會導致緊固件被進一步拉伸。
當它冷卻時,這將導致連接處的螺栓松動,此時檢查螺紋間距是必要的。
3、負載不足
如果螺栓沒有足夠的擰緊,產生的夾緊力小于施加的外部負載,這種情況將會導致螺栓的疲勞失效。
疲勞失效,通常發生在可熱處理類型的金屬中。擰緊時不會發生,在使用過程時承受高頻動態載荷的情況下才會發生失效。
這種類型的失效機制,類似于衣架金屬絲的反復彎曲。由于這種重復的運動,應力通過金屬的晶界傳播,直到剩下很少的橫截面面積來支撐外部負載,在下一次沖擊時,它突然斷裂。
應力也可以在其他點開始,這些點是空洞、缺陷、劃痕或金屬表面其他不連續的地方。一旦裂紋產生,它會隨著每一次的沖擊載荷在螺栓的芯部傳播,直到剩下的金屬區域不再能支持下一次沖擊。此時斷裂立即發生。
通常,疲勞發生一個未嚙合的螺紋處或光桿到螺紋交匯處。如果螺栓頭下的圓角半徑被劃傷或損壞,應力就會產生,失效就會在發生在螺栓頭下。金屬疲勞圖案由貝殼狀或“海灘狀”組成。
4、負載不足原因
(1)、不匹配的緊固件組件
檢查螺母和螺栓上的等級標記,以確定匹配性。
(2)、嵌入
如果螺栓頭或螺母的壓印在接頭表面或平墊圈上可見,則夾緊載荷損失。少量的嵌入,會導致大量的載荷損失。持續的載荷沖擊會導致進一步的嵌入和夾緊力的損失。
(3)、螺紋或螺紋孔內的碎片
任何數量的異物都會增加螺紋摩擦,提供錯誤的扭矩讀數,降低夾緊載荷。
(4)、毛邊
毛刺導致平整的表面,是連接面無法平整會平行連接。多余的金屬會被壓縮在裝配時,導致接頭松動。毛刺的邊緣會鉆入螺栓投下的圓角半徑,導致疲勞的應力提升或缺口效應。
(5)、不合理的扭矩
扭矩太小導致夾緊力不足,不足以承受外部負載
(6)、不正確的擰緊順序
對所有的緊固件全部施加扭矩,由于擰緊順序錯誤,也會引起一些螺栓松脫。正確的步驟是按十字交叉的順序遞增擰緊模式。
(7)、重復使用的螺母
每次重復使用時,螺母會產生更多的螺紋摩擦,即使扭矩值相同,產生的夾緊載荷更小。
產品出現斷裂或脫口后,應保管好試樣,保護好試樣斷口,避免其銹蝕。
根據其失效形式及使用工況,進行分析失效原因,采取糾正措施,避免同類問題再次出現。