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预紧力在螺栓紧固件疲劳断裂中扮演的角色


[中华轴承网] 2019/6/14 作者:中华轴承网

紧固件在工程结构中扮演了非常重要的角色,如航空航天、基础设施、民用、汽车以及其它工业领域。紧固件失效可能导致灾难性的后果和重大的财务损失。最常见的紧固件失效模式之一是疲劳开裂。不充分的设计考虑、材料问题、不足的预紧力、松动和过多的负载都能导致紧固件疲劳。


 

类似于其他金属零件,紧固件失效包括过载、腐蚀相关的开裂、脆化、蠕变和疲劳。由于外部负载,紧固件过载可能发生在安装或使用过程中。


 

紧固件过载故障的调查应包括材料性能的评价,主要目的是确定导致紧固件破坏的原因,如紧固件的强度以及施加在紧固件上的载荷。


 

在某些金属中常见的应力腐蚀开裂或氢脆,当紧固件在服役过程中承受静态拉伸时,对紧固件来说也是重要的失效模式。


 

鉴于紧固件的预期应力,材料和环境必须仔细考虑,以适当减轻应力腐蚀开裂或氢脆。


 

在电镀的过程中,氢很可能扩散进入紧固件中,从而造成氢脆。为了减少易感材料的氢脆,紧固件必须进行除氢处理。


 

疲劳是金属结构中最常见的断裂形式,占断裂的80%。紧固件也不例外,疲劳也是紧固件最常见的断裂原因。


 

当循环载荷超过材料的疲劳强度时,当加载足够的周期,疲劳裂纹就会在紧固件上萌生并扩展。紧固件材料、几何、应力振幅、平均应力和装配参数都会影响疲劳性能。


 

紧固件装配过程是最重要的,但在分析其断裂原因时经常被忽视,它也是紧固件疲劳断裂的主要根源。


 

断裂的螺栓紧固件


 

螺栓断口宏观像


 

螺栓断口体视镜图像


 

断口分为A和B两个区域,A区和B区


 


 

A区高倍形貌:裂纹萌生区形貌


 


 

B区高倍形貌:瞬时断裂区形貌


 


 

 
螺栓预紧力-扭矩图:作为屈服强度百分

据介绍,文中所用的不锈钢螺栓的动摩擦系数为0.53,螺栓的预紧力为屈服强度的25%,远低于标准规定的50%,更远远低于推荐预紧力为屈服强度的75%。文中螺栓的疲劳断裂原因是预紧力不足。因此,提高预紧力有利于降低螺栓的疲劳敏感性和发生疲劳断裂的概率。

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