紧固件高强螺栓失效分析

一、通常紧固件的失效

包括下面几种：
①、装配拧拉断裂；
②、螺纹受剪切力拧断；
③、应力集中部位使用后断裂；
④、疲劳断裂；
⑤、延时断裂；
⑥、零件扭矩报警；
⑦、螺纹滑牙。
 
二、失效产生的原因

来源于下面三个方面之一或综合在一起
①、紧固件制造过程的质量问题导致紧固件失效；
②、紧固件选配或部件的使用问题（包括人为的）导致紧固件失效；
③、紧固件装配问题导致紧固件失效。
 
下面先举几个我们日常见到的例子：
 
1、为了确定一个产品设计是否可靠，有很多方法可以进行破坏性测试来验证确认。通常很多生产厂喜欢的是，有意地在受控环境中（给定工况和载荷谱）破坏一个组件（例如试验到紧固件断裂为止），以确定一个或多个组件（包括紧固件）的性能，终获得一些导致产品失效的原因。这方面导致的紧固件失效是人为有意导致的，这种方式及结果是否*合理不好简单评价。
 
2、另外还有消费者有意无意地经常地滥用产品。举个例子来说，一个人花了更多的时间在一个廉价的桌上摆弄他的沉重的公文包和行李箱，而不是坐在桌子上工作。不久，支撑桌子的紧固件就会松动或破裂而失效，这种紧固件故障可能导致人身伤害，但制造商不太可能召回产品，因为客户使用不当导致了问题。然而，许多产品已经被召回，因为在正确使用过程中已知的紧固件故障可能会导致轻微或严重的用户伤害。
 
3、另外的例子：沃尔沃汽车在2017年3月召回了三种车型，原因是用于固定侧帘安全气囊的螺栓出现故障。总的来说，该公司召回了超过5500辆S90轿车和V90越野和XC90豪华运动型多用途车在2016年11月和2017年1月之间制造。固定安全气囊的螺栓制造过程质量没有有效管控，可能会因内部氢脆而迅速断裂。沃尔沃工程师们认为，整个安全气囊设计结构上是合理的，但由于紧固件制造过程产生的潜在缺陷导致需要对整个气囊总成进行更换。幸运的是，这个缺陷没有造成实质的人员伤害。
 
松动的紧固件也可能终失效。两年前，越野车制造商北极星不得不召回所有的指挥官车型，因为输入轴紧固件松动，并允许轴沿动力转向花键的长度方向移动。在情况下，这种移动可能导致轴与花键*分离。
 
通用汽车公司的工程师们在2014年发现了几个车型的紧固件松动，导致该公司今年召回了500000多辆汽车。雪佛兰黑斑羚有一个“强力定型”的紧固件，没有拧紧到规范要求的扭矩。而且，雪佛兰CAMARO和Enimox螺栓松脱；GMC全地形车；别克君威和长曲棍球；和凯迪拉克SRX允许前排和乘客座椅自由地上下移动。后一种情况导致一次撞车，三人受伤。
 
按统计，在95%的故障中，紧固件在安装或维修过程中出了问题，另外5%是因为使用了错误的紧固件。
 
三、紧固件的制造过程
 
紧固件与所有其他制造产品有一个共同点：制造控制得越好，性能越好。在制造过程中，有几个因素影响紧固件质量。
 
如果温度达到700摄氏度左右，在热处理过程中可能发生金属脱碳，而且炉内没有足够的保护气氛。这可能会导致螺纹处变软脱落。”
 
淬火和回火（或拉伸）是钢紧固件常用的热处理工艺之一。紧固件应在从淬火中取出后和*冷却前几分钟内进行回火。否则可能导致淬火开裂、过早失效或使用寿命短于正常使用寿命（见图1）。

虽然实验室工程师初认为该紧固件头部因氢脆而失效，但该紧固件有一个头部下淬火裂纹。
 
在紧固件头部成形过程中，金属的晶粒流线在正确的方向上是很重要的。向螺栓头部与杆部交界处的圆角处急剧移动的晶粒流线不能产生良好的流动（见图2）。这可能会使紧固件在安装过程中头部容易断裂。
 
、
图 2
 
在头部成形过程中，金属的晶粒流线向正确的方向成形是非常重要的。左边的图像表示符合SAE USCAR8规范的可接受颗粒流。
 
我们在制造过程中需要检查紧固件，以确定合适的晶粒流动模式，，检查员用盐酸和水将样品紧固件的头部分段煮沸1分钟，这样就可以很容易地评估晶粒的流动。例如，我们的汽车客户使用的所有头螺栓和螺钉必须满足SAE USAC8规范的晶粒流动模式。
 
当扭矩太大时，靠近头部的螺纹太近的话会增加头部的压力。，这种情况也可能导致从头到杆部的失败。因为这个缺陷会增加径向应力，当它出现在紧固件中时会加速氢脆（见图3）。

图 3

氢脆是紧固件失效的常见原因。照片中的箭头表示荷载应力区域。
 
当氢在紧固件电镀过程中被吸附在钢中并沿晶界移动到应力集中时，会发生内部氢脆。，这可能会在负载下导致突然的灾难性故障。
 
大多数螺纹紧固件都经过电镀或保护涂层处理，以防止生锈或腐蚀，然后根据ASTM B117（盐雾试验）测试其抗腐蚀性。如今，许多紧固件都是用相机或视觉系统进行机械挑选的，这一过程可能导致保护涂层的破坏。
 
在终测试和装配的过程中，每个紧固件都会遭受一些或多或少的破坏，导致保护涂层可能会受损。在使用过程中可能出现过早的红色（氧化铁）锈蚀。
 
另一个常见的问题是浸渍旋涂。它提供了*的防腐蚀保护，但当过多的电镀填充小螺钉的头部时，可能会导致不能顺利的钻孔。
 
紧固件的几何结构、材料、热处理、表面处理和其他因素都会影响其从装配到安装产品的使用寿命期间的性能，因此，始终将紧固件视为工程部件而不是简单的标准件。”

四、紧固件选择和配合 

高质量的紧固要求紧固件与所连接的材料以及紧固件（如果是螺栓）与螺母匹配。例如，使用带有5级螺母的8级螺栓将产生低于预期的夹紧力。
 
“由于产品小型化，正确的紧固件选择比以往任何时候都更加重要，我们总希望紧固件处理相同的负载，但要在更小的空间内使用更轻、更薄的材料。”
 
不建议使用“看起来不错”的螺栓和螺母。一个例子是，我们到很多汽车修理厂，在工人使用的同一个紧固件盒子里发现了三种不同等级的螺母混在一起。
 
“重复使用的螺母上的螺纹比配对螺栓上的螺纹稍软，此外，由于螺纹摩擦增加，每次额外使用时，这些螺纹都会被压缩并不断失去夹紧载荷。您可以看到这种情况对车轮螺柱的影响，这些螺柱通常在行驶120000英里左右后失效。”
 
在紧固连接设计过程中，工程师通常只关注紧固件的直径、长度、数量和美观性，而不是深入分析这些特性如何导致失效。产品设计师决不能认为大直径或高强度紧固件意味着装配所需的此类紧固件更少。
 
四年前，一架Savanna VGW螺旋桨飞机在山上的坠毁，原因是两个尺寸不符合的螺栓在飞机降落时失灵。直径为0.25英寸的螺栓本来是用来固定起落架前叉的，但由于反复使用导致过载而失效。故障发生后，起落架轮子弯曲，飞机翻倒在草皮上。飞行员受了轻伤，但飞机受损严重。
 
如果没有实际的测试，根据内部设计指南和VDI 2230指南（德国紧固标准）对应用所需的摩擦特性进行假设是很容易的。这样做可能导致设计的紧固件能够承受的夹紧负载过多或不足。从纯粹的紧固件连接设计角度来看，我发现我们遇到的大多数紧固件故障都可以归因于装配扭矩计算不正确。”
 
建议不要在同一部件中不同类型的螺栓或过长的螺栓。在前一种情况下，硬度较高的紧固件终将承载大部分载荷。太长螺栓上的螺纹在连接处的减震会相对较少，实际上会导致该区域过早的金属疲劳。
 
美学是一个合理的考虑。制造商通常希望紧固件头能增强组装产品的外观。例如，哈雷戴维森使用镀铬和不锈钢螺母和螺栓组装摩托车链轮、控制台和空气滤清器。这些紧固件必须仍然能够抵抗振动和环境湿度。
 
制造商防止紧固件失效的另一种方法是只购买*符合所有设计规范的紧固件。几年前，波音公司开始更加严格地执行其拒绝向公司供应所有不合格紧固件的政策。此举是对美国（faa）计划罚款波音275万美元的回应，原因是该公司2008年在777型飞机上安装了不合格的紧固件。当时，波音公司正遭遇意外的螺母和螺栓短缺，但希望维持生产进度。
 
五、紧固件的装配
 
正确的制造和选择是防止紧固件失效的重要步。拧紧过程中确保达到规定的要求（很多情况下特别是野外维修维护都可能会出现达要么不到规范要求要么过度拧紧），并保持紧固件螺纹完整性。
 
过度拧紧可能导致装配过程中紧固件断裂，这是显而易见的，也可能导致螺纹剥离，这可能不是那么明显。后者特别危险，因为螺栓连接的完整性可能会受到损害，组装人员无法检测到。
 
正确理解紧固件的润滑性（摩擦和扭矩系数等）有助于终用户在使用扭矩时获得夹紧载荷。然而，紧固件上不需要的润滑剂，如装配工手中的一点油，可能会导致过紧。这会通过增加夹紧力来改变连接处的扭矩-张力值。当紧固件未充分拧紧至较低的夹紧载荷时，超过该夹紧载荷的周期性或波动性载荷可能很快导致疲劳。
 
未拧紧的紧固件承受的外部载荷比预期的要大。可能先出现一些小的异常噪音如吱吱声和嘎嘎声，一直到灾难性的疲劳失效。
 
拧紧不足也有可能是由于嵌件松弛造成的，例如，当螺栓嵌入软材料中时，无法*压紧连接处。螺母装配不当是拧紧不足的另一个原因。当螺母拧下得太快时，会产生反弹效应，拧紧处会稍微回弹松动。此外，由于螺栓长度范围内的扭转性松弛，拧紧螺栓头部而不是螺母会减少10%到15%的夹紧载荷。
 
螺纹需要尽可能保持清洁，尽管有少量润滑剂，以便于安装和拆卸。即使螺纹上的微小颗粒物也会降低紧固件在安装过程中的摩擦系数。这会增加结合处张力和应力，使紧固件容易发生故障。紧固件摩擦系数平均为0.15，但根据润滑剂和紧固件镀层的不同而有所不同。