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螺栓断裂原因分析2010/10/28 17:22:07 螺栓断裂分析的方法及程序 在紧固件的失效分析中，螺栓的失效最多、也最为常见，而螺栓的断裂失效则占螺栓失效的80%左右，严重威胁着整个构件的安全。因此，我们有必要、也必须对断裂螺栓进行分析。由于螺栓的结构、形状和受力形式比较复杂，且在材料、工艺和使用状况等因素的影响下，经常发生各种形式的断裂失效。由于螺栓种类多、用量大，普遍采用冷变形制造工艺，并依据各种不同性能要求而采用不同钢材和热处理工艺，同时进行严格的材料和工艺检查。尽管如此，往往由于工艺管理和控制不善，构成了批量或频次较高的断裂失效，经常影响着正常生产和使用。下面我们就谈谈紧固件断裂失效分析的方法。紧固件断裂失效分析的方法 一、系统方法 系统方法，又称相关性方法，就是把失效分析类型、失效方式、断口特征形貌、工作条件、材质情况、制造工艺水平和过程、使用和维护情况等放在一个研究系统中，从总体上予以考虑的方法。寻找失效原因应从设计、材质、制造、使用、维护等相关方面去考虑，并据此进行测试和分析，找出失效原因。 本方法的特点是：从一般到个别，从普遍到特殊，从单项分析到综合联系上找原因。这就是尽可能地收集与全局有关的资料和测试信息，从而确定分析系统的范围。该方法主要针对失效原因复杂的断裂螺栓。 二、抓主要矛盾方法 在紧固件失效分析时要抓住失效中起主要作用的因素。如在断裂失效中就一定要对断裂源、断裂形状及导致断裂的因素重点分析和研究。这也是我们螺栓断裂失效分析中最常用的方法。举例来说，当一个螺栓断裂件送到我们手上，我们发现该螺栓的支撑面的装配痕迹不对称（就是说一边有明显的装配痕迹而一边没有或者两边装配痕迹相差很大）。我们都知道：力是造成痕迹的唯一原因，接下来我们就应对这一应力进行重点分析。 三、比较方法 选择一个同批次，同服役状态而没有失效的螺栓与断裂螺栓一一对比，然后进行分析比较，从中找出差异，寻找出引起失效的原因。该方法多用于尺寸精度的比较，如在内六角螺栓中，内六角偏斜，导致头杆不同心，引起掉头等！ 四、历史方法 历史方法是根据同样螺栓、同样工作条件，在过去表现的情况和变化规律，来判断现在失效的可能原因。所以历史方法是客观的依据。它主要依赖过去的失效资料的积累，并运用归纳法和演绎法进行分析。这种方法非常重要，往往会引起工艺的改进。举例来说，本公司生产的外六角螺栓，去年以前均存在掉头现象（几乎每批次均有，为数极少），而又分析不出具体原因，只知道个别螺栓头杆结合部存在强度不足，因此总结以前的教训，将R角增大，结果从去年以来，该螺栓再没掉头。 五、逻辑方法 它是根据背景资料（设计、材料和制造情况）和失效现场调查材料以及分析、测试获得的信息，进行分析、比较、综合、归纳和概括，作出判断和推论，得出可能的失效原因。该方法是最常用，也是最直接的分析方法。螺栓断裂分析的基本程序 以上就是螺栓断裂分析的基本方法，看起来并不是很难，但真正运用起来，对症下药，却是很不容易。下面我们就来谈谈螺栓断裂分析的基本程序。 当断裂螺栓送到我们手中，我们首先要做的是追溯该紧固件，包括制造日期、零件、名称、零件图纸、发货日期等，以确定该断件是否为本公司制造。接下来我们应该了解失效现场（包括断裂时间、地点、经过以及向有关工作人员询问断件的装配、服役和失效的情景等）。紧跟着就是对断裂件的测试和分析，它包括以下几方面的内容： 一、宏观观察 宏观观察就是对断裂件进行直观检测（或用小于10X的放大镜观察）。以便能发现必须研究的问题；如发现断件表面伤痕严重，就应该从受力方面分析以及校对断件的尺寸是否符合设计要求。如发现断件粘有异物，应着手对异物进行分析，看是否是异物导致的失效。举例来说，去年本公司生产的M8X18内六角螺栓在客户装配线上断裂，将整个装配体锯开，发现螺牙内充满异物，究其原因是涂胶过多，装配中咬死拧断。 二、断口分析 首先，我们看看螺栓中常见缺陷的断口特征： 1萘状断口 这种螺栓断口在宏观上呈较平坦的粗晶断口。用掠入光照射时，由于各个晶面具有不同的反光能力，因而闪烁着象结晶萘一般的光泽，故称之为萘状断口。形成这种断口的主要原因跟过热或粗晶粒有关，而大多数是因为原材料带来的缺陷。当然，后续热处理中由于热处理温度过高导致晶粒长大，也会出现这种断口。如自功钉由于渗碳淬火时温度过高或保温时间太长导致晶粒长大，拧断后的脆性断口就是典型的萘状断口。 2瓷状断口 宏观上呈亮灰色，有较微弱的金属光泽，似打碎的瓷器断口。出现这种断口往往是因为硬度太高，如淬火螺栓的冲击断口就是典型的瓷状断口。 3石状断口 宏观上呈浅灰色、无金属光泽的碎石块状粗晶组织。微观上呈沿晶粒韧性断裂，晶界面上有MnS表决权杂析出。该种断口出现在严重过热以至过烧螺栓中。如红锻螺栓由于终锻温度过高，脆断后可能出现这种断口！ 4夹杂断口 肉眼观察断口能见到与金属颜色相异的物质，以各种不规则形状分布，其区域实际有大量的金属或异金属夹杂，该断口一般呈现脆性断裂。如固定汽车减震弹簧钢板的U形螺栓由于MnS夹杂而脆断。 5螺栓在静拉伸应力下的断口形貌 接着，我们就来看螺栓在单纯应力下的断口。说到断口，我们不得不提到断口的三要素：纤维区、放射区和剪切唇。 1）纤维氏 在静拉伸应力下，该区一般位于断口的中央，呈粗糙的纤维状。纤维区宏观平面与拉伸应力轴相垂直，裂纹核心在该区形成。 种纤维状特征是由于显微空穴的形成和长大在断口上留下的友观形态。对于高强度螺栓，其纤维区还具有一种圆环状花样特征，这是一种环形剪切脊。在环形花样的中央或靠近中央处，有一个或几个锥形坑，象“火山口”那样,它既为裂纹起处。实验证明，“火山上”总有夹杂物存在。对于带缺口的螺栓断口，裂纹直接在缺口或缺口附近产生，此时纤维区不再在断口中央，而沿圆周分布，裂纹将由表面向内部扩展。 2）放射区 紧接着纤维区的第二个区域是放射区。纤维区是裂纹缓慢扩展的标志，而放射区则是裂纹快速扩展的表征。每根放射条称为放射元，放射方向与裂纹扩展方向一致。根据放射花样的形貌，可分为“放射纤维”和“放射剪切”两种。“放射纤维”的放射元呈纤维状，一般很直，无论裂纹源是否在断口中央或放射花样是否粗大，都不会使“放射纤维”弯曲。“放射剪切”花样是一种典型的剪切脊，其宏观形貌似菊花状。每一条放射剪切元的顶峰，有纵向隙裂，这可能是由作用在隙裂面上的拉应力所造成。通常隙裂面上存在有较多夹杂物和缺陷。 3）剪切唇 断裂过程的最后阶段形成剪切唇。剪切唇表面光滑，与拉应力成45角，是一种典型的切断形断口。按断裂学的观点，它是在平面应力条件下发生的不稳定断裂。剪切唇常与放射区相毗邻。对于韧性好的螺栓，可出现纤维区直接与剪切唇相连接的特征。螺栓的形状、尺寸、热处理状态以及加载速度、受力状态对断口三个区均有影响。但一般来说，螺栓的强度越高，则放射区比例越大，螺栓的脆性也越大；如果纤维区和剪面积越大，则螺栓的韧性越好。因此在分析研究时，可根据这三个区形态及在断口所占的比例粗略地评价螺栓的性能，这在实际分析中也是有用的。此外加载速度增大或有三向应力状态存在时都会使断口放射区有增大趋势。 6螺栓在冲击应力下的断口形貌 在冲击断口中也同样会出现那三个区域。一般情况下，在受力点先形成纤维区，然后是放射区和剪切唇。若螺栓塑性很好，则放射区完全消失，整个截面上只有纤维区及剪切唇。 7螺栓在交变应力下的断口形貌 疲劳断裂在断裂失效中所占的比例很大，所以对疲劳断口的研究十分重要。大多数螺栓疲劳断裂是在交变应力下低于螺栓的疲劳极限情况下发生，形成所谓的低力高周次疲劳。典型的疲劳断口一般也有三个区，即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区及瞬时断裂区。 1）疲劳源区 用肉眼和放大镜就能大致判断疲劳源的位置。疲劳源是疲劳破坏的起点，它常常发生在表面，如带孔螺栓的孔、凹槽、尖角、加工刀痕等宏观应力集中的部位。但有时也发生在内部，如脆性夹杂物、缩孔处。疲劳源数目有时不止一个，而有两个甚至两个以上。当螺栓表面有严重的缺口应力集中时，腐蚀疲劳和低周疲劳的断口上常为多疲劳源。 2）疲劳扩展区 这是疲劳断口上最重要的特征区域，在此区域上常有疲劳断裂独特的宏观标志，这些条纹目前应用各种名称来描述它，如贝纹状、蛤壳状、海滩波纹状等。贝纹状的推进线标志着螺栓震动或停止时，疲劳裂纹扩展过程中所留下的痕迹。通常认为这些贝纹线的形成与裂纹受阻而暂时停歇或构件运转时外载荷变化有关，贝纹线一般从疲劳源开始，向四周推进呈弧线形线条，垂直于裂纹扩展方向。在实验室作恒应力或恒应变试验时，断口一般无贝纹线特征，此时疲劳断口表面由于多次反复压缩而摩擦，使该区变得光滑，呈细晶状，有时甚至光洁得象瓷状结构。对于低周疲劳断口也观察不到这种贝纹状推进线。 若仔细观察疲劳断口，可以看到在疲劳源的周围，存在着一个非常光洁、细洁、贝纹线不明显的狭小区域，这是由于疲劳裂纹源在该区扩展速度很慢及裂纹反复张开和闭合而使断口磨光的缘故。尽管这个区域从本质上看，应属于疲劳扩展区，但常习惯于称它为“疲劳源区”。此外在此区域，还常看到以疲劳源区为中心向四周辐射的放射状台阶，这说明疲劳裂纹不是简单的一个宏观平面，而是沿着一系列具有高度差的宏观平面向周围扩散。此外，在疲劳扩展区，除贝纹线外，有时也可看到二次台阶条纹，这些台阶是由于裂纹扩展到后期，裂纹不断生长，有效截面不断减少，有效应力不断增加，裂纹扩展速度提高，此时往往有因撕裂螺栓而造成的台阶。为区别由于应力集中引起的一次台阶而称之为二次台阶。 3）瞬时破断区 瞬时破断区（或称最终破断区，过载破断区）是疲劳裂纹达到临界尺寸后发生的快速破断，它的特征与静拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同，但有时仅出现剪切唇而无放射区。对于非常脆的螺栓，此区为结晶状的脆性断口。 8螺栓的应力腐蚀和氢脆断口的宏观形貌 应力腐蚀的裂纹源常产生于螺栓的表面，断口的裂纹源及亚临界扩展区因介质的腐蚀作用而呈黑色或灰黑色。黑色区域为裂纹源及亚临界扩展区。氢脆也是应力腐蚀的一种形式，它是由于外界环境中氢侵入螺栓，在螺栓装配后一段时间发生的。如酸洗、电镀等作用下引起的氢使晶界脆化，形成延晶断裂，其断口有放射状或结晶状等脆性特征。 三、确定断裂源 了解了螺栓在各应力下的断口形貌，接下来就是怎样确定断裂源。因为断裂源是螺栓中性能最为薄弱或所受应力最集中的地方，它记载了该螺栓从原材料到成品过程中可能存在的缺陷，以及该螺栓在装配和服役方面的信息。通过对断裂源的分析，得出断裂的真正原因。一般来说，可以用以下几个方法来确定断裂源： 1对于螺栓来说超负荷引起的断口，其纤维区就是断裂源所在的位置。具有圆环脊状花样的纤维区，其裂纹源总是在最内层的“火山口”处。 2对于脆性断口可利用断口上的“放射状”或“人字纹”的汇集处寻找断裂源。 3对疲劳断口可根据贝纹线的汇集处寻找断裂源。 4在许多情况下由于断口上的瞬断区较易判断，而断裂源一般处于瞬断区的对面，故可根据这一原则来寻找断裂源。 以上就是确定断裂源最基本的方法，其实无论什么样的断口都是在力的作用下造成的，所以在确定断裂源时一定要根据该螺栓所受的应力以及其性能组织来分析产生的断口，这样才能准确的判断出断裂源的位置！如某螺栓在装配中断裂，我们应了解该螺栓在装配时的受力情况及其性能组织，如果该螺栓是人工扳拧装配，很明显不受冲击力的作用；如果该螺栓是用枪头高速装配，那么该螺