緊固件在工程結(jié)構(gòu)中扮演了非常重要的角色,如航空航天、基礎(chǔ)設(shè)施、民用、汽車以及其它工業(yè)領(lǐng)域。緊固件失效可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果和重大的財(cái)務(wù)損失。最常見的緊固件失效模式之一是疲勞開裂。不充分的設(shè)計(jì)考慮、材料問題、不足的預(yù)緊力、松動(dòng)和過多的負(fù)載都能導(dǎo)致緊固件疲勞。
類似于其他金屬零件,緊固件失效包括過載、腐蝕相關(guān)的開裂、脆化、蠕變和疲勞。由于外部負(fù)載,緊固件過載可能發(fā)生在安裝或使用過程中。
緊固件過載故障的調(diào)查應(yīng)包括材料性能的評(píng)價(jià),主要目的是確定導(dǎo)致緊固件破壞的原因,如緊固件的強(qiáng)度以及施加在緊固件上的載荷。
在某些金屬中常見的應(yīng)力腐蝕開裂或氫脆,當(dāng)緊固件在服役過程中承受靜態(tài)拉伸時(shí),對緊固件來說也是重要的失效模式。
鑒于緊固件的預(yù)期應(yīng)力,材料和環(huán)境必須仔細(xì)考慮,以適當(dāng)減輕應(yīng)力腐蝕開裂或氫脆。
在電鍍的過程中,氫很可能擴(kuò)散進(jìn)入緊固件中,從而造成氫脆。為了減少易感材料的氫脆,緊固件必須進(jìn)行除氫處理。
疲勞是金屬結(jié)構(gòu)中最常見的斷裂形式,占斷裂的80%。緊固件也不例外,疲勞也是緊固件最常見的斷裂原因。
當(dāng)循環(huán)載荷超過材料的疲勞強(qiáng)度時(shí),當(dāng)加載足夠的周期,疲勞裂紋就會(huì)在緊固件上萌生并擴(kuò)展。緊固件材料、幾何、應(yīng)力振幅、平均應(yīng)力和裝配參數(shù)都會(huì)影響疲勞性能。
緊固件裝配過程是最重要的,但在分析其斷裂原因時(shí)經(jīng)常被忽視,它也是緊固件疲勞斷裂的主要根源。
斷裂的螺栓緊固件
螺栓斷口宏觀像
螺栓斷口體視鏡圖像
斷口分為A和B兩個(gè)區(qū)域,A區(qū)和B區(qū)
A區(qū)高倍形貌:裂紋萌生區(qū)形貌
B區(qū)高倍形貌:瞬時(shí)斷裂區(qū)形貌
螺栓預(yù)緊力-扭矩圖:作為屈服強(qiáng)度百分比圖
據(jù)介紹,文中所用的不銹鋼螺栓的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.53,螺栓的預(yù)緊力為屈服強(qiáng)度的25%,遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50%,更遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于推薦預(yù)緊力為屈服強(qiáng)度的75%。文中螺栓的疲勞斷裂原因是預(yù)緊力不足。因此,提高預(yù)緊力有利于降低螺栓的疲勞敏感性和發(fā)生疲勞斷裂的概率。
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