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高强度螺栓不同断裂形式形貌图及因素


高强度螺栓的使用非常的广泛,如航天航空,石油机械,大型汽车/货车等,高强度螺栓在使用过程中,常见的失效形式就是断裂,使用情况不同,螺栓的断裂情况也是有所不同的,有的高强度螺栓是疲劳断裂,有的高强度螺栓是脆断,还有的高强度螺栓是缺陷断裂。

下面分享下高强度螺栓常见不同断裂形式形貌图以及相应的原因。


例子1、高强度螺栓疲劳断裂形式形貌图


图1为高强度螺栓疲劳断裂


其中a断口为韧性断口,b断口为疲劳断口。疲劳断裂与韧性断裂同时存在的情况下,疲劳断裂为首断件,故可知b钢螺栓为首断件。b螺栓中A~B这段区域螺纹配合出现松动,导致在B位置产生应力集中,长时间在曲轴旋转的交变应力作用下逐步产生微裂纹,最终发生多源疲劳断裂。b钢螺栓断裂后,a号钢螺栓不足以承载曲轴旋转所产生的力,发生过载断裂。综上所述,b钢螺栓中A~B这段区域螺纹配合出现松动,使这段区域内螺栓和螺孔的螺纹发生磨损,平衡块和曲柄臂出现松动,导致两者连接面出现微振斑,同时在B位置产生应力集中,长时间在曲轴旋转的交变应力作用下逐步产生微裂纹,最终发生多源疲劳断裂,b钢螺栓断裂后,a钢螺栓不足以承载曲轴旋转所产生的力,发生过载断裂,平衡块飞出,使发动机的零部件损坏。钢螺栓的断裂与平衡块固定螺栓在安装时的拧紧轴向力不足有关。


例子2:高强度螺栓脆断形式形貌图


图2为螺栓脆断


对高强度螺栓断口进行宏观的分析,可判断图2螺栓属于脆性断口,对于力学性能进一步的测试得知,高强度螺栓硬度和强度指标都较高,高屈强比,基本都是在0.95;而延伸率、断面收缩率、冲击功都随强度、硬度的提高呈规律性降低。因此螺栓在工作时承受着装配预紧力、反复交变应力以及高压震动载荷,现场使用中频繁出现脆断,测试的力学性能数据说明提高材料韧性是很有必要的,在材料固定的情况下,通过适当降低强度指标来提高韧性是个不错的选择。牺牲的强度可以通过增加螺栓直径的方式弥补。


例子3:高强度螺栓缺陷断裂形式形貌图

图3为高强度螺栓缺陷断裂


图3高强度螺栓断裂时从应力集中程度较高的螺纹槽圆弧倒角处启裂,启裂部位有很多撕裂棱,以解理形貌为主,且存在沿晶断裂特征,该螺栓在受力时发生沿晶断裂。当断裂从裂纹源处启裂之后,裂纹以快速、失稳方式进行扩展直至断裂。材料内部存在晶粒偏粗,晶界偏析的缺陷,导致了材料实际许用应力降低,这也是裂纹快速失稳扩展的先决条件。微裂纹的形成与冶炼时除气、造渣不彻底有关。螺栓的装配扭紧力矩波动范围大,存在过拧现象;螺栓头杆结合处圆角半径值波动大,部分不符合标准要求,螺栓生产过程中存在不能有效控制尺寸精度的问题。


在螺栓生产过程中发现高强度螺栓热墩模具工作面有R角成型面磨损、热疲劳裂纹等缺陷,模具支撑面磨损、锈蚀严重,有用胶带调整的现象,且生产现场未对螺栓头杆结合部R值进行控制。这些缺陷使得模具无法保证螺栓同轴度、垂直度等尺寸稳定性,会对产品质量造成影响,增加螺栓发生断裂的风险。


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