緊固件高強螺栓失效分析探討

緊固件高強螺栓失效分析

一、通常緊固件的失效

包括下面幾種：
①、裝配擰拉斷裂；
②、螺紋受剪切力擰斷；
③、應力集中部位使用后斷裂；
④、疲勞斷裂；
⑤、延時斷裂；
⑥、零件扭矩報警；
⑦、螺紋滑牙。
 
二、失效產生的原因

來源于下面三個方面之一或綜合在一起
①、緊固件制造過程的質量問題導致緊固件失效；
②、緊固件選配或部件的使用問題（包括人為的）導致緊固件失效；
③、緊固件裝配問題導致緊固件失效。
 
下面先舉幾個我們日常見到的例子：
 
1、為了確定一個產品設計是否可靠，有很多方法可以進行破壞性測試來驗證確認。通常很多生產廠喜歡的是，有意地在受控環境中（給定工況和載荷譜）破壞一個組件（例如試驗到緊固件斷裂為止），以確定一個或多個組件（包括緊固件）的性能，終獲得一些導致產品失效的原因。這方面導致的緊固件失效是人為有意導致的，這種方式及結果是否*合理不好簡單評價。
 
2、另外還有消費者有意無意地經常地濫用產品。舉個例子來說，一個人花了更多的時間在一個廉價的桌上擺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，支撐桌子的緊固件就會松動或破裂而失效，這種緊固件故障可能導致人身傷害，但制造商不太可能召回產品，因為客戶使用不當導致了問題。然而，許多產品已經被召回，因為在正確使用過程中已知的緊固件故障可能會導致輕微或嚴重的用戶傷害。
 
3、另外的例子：沃爾沃汽車在2017年3月召回了三種車型，原因是用于固定側簾安全氣囊的螺栓出現故障。總的來說，該公司召回了超過5500輛S90轎車和V90越野和XC90豪華運動型多用途車在2016年11月和2017年1月之間制造。固定安全氣囊的螺栓制造過程質量沒有有效管控，可能會因內部氫脆而迅速斷裂。沃爾沃工程師們認為，整個安全氣囊設計結構上是合理的，但由于緊固件制造過程產生的潛在缺陷導致需要對整個氣囊總成進行更換。幸運的是，這個缺陷沒有造成實質的人員傷害。
 
松動的緊固件也可能終失效。兩年前，越野車制造商北極星不得不召回所有的指揮官車型，因為輸入軸緊固件松動，并允許軸沿動力轉向花鍵的長度方向移動。在情況下，這種移動可能導致軸與花鍵*分離。
 
通用汽車公司的工程師們在2014年發現了幾個車型的緊固件松動，導致該公司今年召回了500000多輛汽車。雪佛蘭黑斑羚有一個“強力定型”的緊固件，沒有擰緊到規范要求的扭矩。而且，雪佛蘭CAMARO和Enimox螺栓松脫；GMC全地形車；別克君威和長曲棍球；和凱迪拉克SRX允許前排和乘客座椅自由地上下移動。后一種情況導致一次撞車，三人受傷。
 
按統計，在95%的故障中，緊固件在安裝或維修過程中出了問題，另外5%是因為使用了錯誤的緊固件。
 
三、緊固件的制造過程
 
緊固件與所有其他制造產品有一個共同點：制造控制得越好，性能越好。在制造過程中，有幾個因素影響緊固件質量。
 
如果溫度達到700攝氏度左右，在熱處理過程中可能發生金屬脫碳，而且爐內沒有足夠的保護氣氛。這可能會導致螺紋處變軟脫落。”
 
淬火和回火（或拉伸）是鋼緊固件常用的熱處理工藝之一。緊固件應在從淬火中取出后和*冷卻前幾分鐘內進行回火。否則可能導致淬火開裂、過早失效或使用壽命短于正常使用壽命（見圖1）。

雖然實驗室工程師初認為該緊固件頭部因氫脆而失效，但該緊固件有一個頭部下淬火裂紋。
 
在緊固件頭部成形過程中，金屬的晶粒流線在正確的方向上是很重要的。向螺栓頭部與桿部交界處的圓角處急劇移動的晶粒流線不能產生良好的流動（見圖2）。這可能會使緊固件在安裝過程中頭部容易斷裂。
 
在頭部成形過程中，金屬的晶粒流線向正確的方向成形是非常重要的。左邊的圖像表示符合SAE USCAR8規范的可接受顆粒流。
 
我們在制造過程中需要檢查緊固件，以確定合適的晶粒流動模式，，檢查員用鹽酸和水將樣品緊固件的頭部分段煮沸1分鐘，這樣就可以很容易地評估晶粒的流動。例如，我們的汽車客戶使用的所有頭螺栓和螺釘必須滿足SAE USAC8規范的晶粒流動模式。
 
當扭矩太大時，靠近頭部的螺紋太近的話會增加頭部的壓力。，這種情況也可能導致從頭到桿部的失敗。因為這個缺陷會增加徑向應力，當它出現在緊固件中時會加速氫脆。

氫脆是緊固件失效的常見原因。照片中的箭頭表示荷載應力區域。

 
當氫在緊固件電鍍過程中被吸附在鋼中并沿晶界移動到應力集中時，會發生內部氫脆。，這可能會在負載下導致突然的災難性故障。
 
大多數螺紋緊固件都經過電鍍或保護涂層處理，以防止生銹或腐蝕，然后根據ASTM B117（鹽霧試驗）測試其抗腐蝕性。如今，許多緊固件都是用相機或視覺系統進行機械挑選的，這一過程可能導致保護涂層的破壞。
 
在終測試和裝配的過程中，每個緊固件都會遭受一些或多或少的破壞，導致保護涂層可能會受損。在使用過程中可能出現過早的紅色（氧化鐵）銹蝕。
 
另一個常見的問題是浸漬旋涂。它提供了*的防腐蝕保護，但當過多的電鍍填充小螺釘的頭部時，可能會導致不能順利的鉆孔。
 
緊固件的幾何結構、材料、熱處理、表面處理和其他因素都會影響其從裝配到安裝產品的使用壽命期間的性能，因此，始終將緊固件視為工程部件而不是簡單的標準件。”

四、緊固件選擇和配合

高質量的緊固要求緊固件與所連接的材料以及緊固件（如果是螺栓）與螺母匹配。例如，使用帶有5級螺母的8級螺栓將產生低于預期的夾緊力。
 
“由于產品小型化，正確的緊固件選擇比以往任何時候都更加重要，我們總希望緊固件處理相同的負載，但要在更小的空間內使用更輕、更薄的材料。”
 
不建議使用“看起來不錯”的螺栓和螺母。一個例子是，我們到很多汽車修理廠，在工人使用的同一個緊固件盒子里發現了三種不同等級的螺母混在一起。
 
“重復使用的螺母上的螺紋比配對螺栓上的螺紋稍軟，此外，由于螺紋摩擦增加，每次額外使用時，這些螺紋都會被壓縮并不斷失去夾緊載荷。您可以看到這種情況對車輪螺柱的影響，這些螺柱通常在行駛120000英里左右后失效。”
 
在緊固連接設計過程中，工程師通常只關注緊固件的直徑、長度、數量和美觀性，而不是深入分析這些特性如何導致失效。產品設計師決不能認為大直徑或高強度緊固件意味著裝配所需的此類緊固件更少。
 
四年前，一架Savanna VGW螺旋槳飛機在山上的墜毀，原因是兩個尺寸不符合的螺栓在飛機降落時失靈。直徑為0.25英寸的螺栓本來是用來固定起落架前叉的，但由于反復使用導致過載而失效。故障發生后，起落架輪子彎曲，飛機翻倒在草皮上。飛行員受了輕傷，但飛機受損嚴重。
 
如果沒有實際的測試，根據內部設計指南和VDI 2230指南（德國緊固標準）對應用所需的摩擦特性進行假設是很容易的。這樣做可能導致設計的緊固件能夠承受的夾緊負載過多或不足。從純粹的緊固件連接設計角度來看，我發現我們遇到的大多數緊固件故障都可以歸因于裝配扭矩計算不正確。”
 
建議不要在同一部件中不同類型的螺栓或過長的螺栓。在前一種情況下，硬度較高的緊固件終將承載大部分載荷。太長螺栓上的螺紋在連接處的減震會相對較少，實際上會導致該區域過早的金屬疲勞。
 
美學是一個合理的考慮。制造商通常希望緊固件頭能增強組裝產品的外觀。例如，哈雷戴維森使用鍍鉻和不銹鋼螺母和螺栓組裝摩托車鏈輪、控制臺和空氣濾清器。這些緊固件必須仍然能夠抵抗振動和環境濕度。
 
制造商防止緊固件失效的另一種方法是只購買*符合所有設計規范的緊固件。幾年前，波音公司開始更加嚴格地執行其拒絕向公司供應所有不合格緊固件的政策。此舉是對美國聯邦局（faa）計劃罰款波音275萬美元的回應，原因是該公司2008年在777型飛機上安裝了不合格的緊固件。當時，波音公司正遭遇意外的螺母和螺栓短缺，但希望維持生產進度。
 
五、緊固件的裝配
 
正確的制造和選擇是防止緊固件失效的重要步。擰緊過程中確保達到規定的要求（很多情況下特別是野外維修維護都可能會出現達要么不到規范要求要么過度擰緊），并保持緊固件螺紋完整性。
 
過度擰緊可能導致裝配過程中緊固件斷裂，這是顯而易見的，也可能導致螺紋剝離，這可能不是那么明顯。后者特別危險，因為螺栓連接的完整性可能會受到損害，組裝人員無法檢測到。
 
正確理解緊固件的潤滑性（摩擦和扭矩系數等）有助于終用戶在使用扭矩時獲得夾緊載荷。然而，緊固件上不需要的潤滑劑，如裝配工手中的一點油，可能會導致過緊。這會通過增加夾緊力來改變連接處的扭矩-張力值。當緊固件未充分擰緊至較低的夾緊載荷時，超過該夾緊載荷的周期性或波動性載荷可能很快導致疲勞。
 
未擰緊的緊固件承受的外部載荷比預期的要大。可能先出現一些小的異常噪音如吱吱聲和嘎嘎聲，一直到災難性的疲勞失效。
 
擰緊不足也有可能是由于嵌件松弛造成的，例如，當螺栓嵌入軟材料中時，無法*壓緊連接處。螺母裝配不當是擰緊不足的另一個原因。當螺母擰下得太快時，會產生反彈效應，擰緊處會稍微回彈松動。此外，由于螺栓長度范圍內的扭轉性松弛，擰緊螺栓頭部而不是螺母會減少10%到15%的夾緊載荷。
 
螺紋需要盡可能保持清潔，盡管有少量潤滑劑，以便于安裝和拆卸。即使螺紋上的微小顆粒物也會降低緊固件在安裝過程中的摩擦系數。這會增加結合處張力和應力，使緊固件容易發生故障。緊固件摩擦系數平均為0.15，但根據潤滑劑和緊固件鍍層的不同而有所不同。