造成螺栓失效斷裂的主要原因

采用螺紋緊固件進(jìn)行連接，相比于采用焊接或是鉚接，有一個(gè)好處就是它可以拆卸。但是這個(gè)便利使得螺紋連接變得似乎更加復(fù)雜，因?yàn)檫@種可拆卸式的連接無形中增加了失效的可能。

從螺栓的角度來看，造成其失效的原因大致有四種：

• 過載

• 疲勞

• 腐蝕

• 氫脆

過載可能是最容易理解的，施加在螺栓上的載荷，無論是拉伸應(yīng)力、還是剪切應(yīng)力，或者是彎曲應(yīng)力，超過了螺栓本身的承受極限。

拉伸應(yīng)力的作用總是要把連接的部件分離，如果超過螺栓自身的屈服極限，將會(huì)造成螺栓超出其彈性形變范圍而進(jìn)入塑性變形階段，引起螺栓永久性形變。當(dāng)載荷力撤去后，其初始的預(yù)緊力無法再恢復(fù)。

為了獲得期望的預(yù)緊力，絕大多數(shù)螺栓在安裝時(shí)都要施加扭矩。而過多地施加扭矩，會(huì)降低螺栓軸向的拉伸強(qiáng)度，也會(huì)造成緊固件的過載失效。在安裝時(shí)，對(duì)螺栓施加扭矩至屈服點(diǎn)可以獲得最大的預(yù)緊力效果，提高連接處的疲勞強(qiáng)度；然而如果屈服極限與極限抗拉強(qiáng)度之間沒有足夠空間的話，還是不建議這么做的。

剪切應(yīng)力是施加在垂直于螺栓軸方向的力，現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)越來越多地采用剪切力設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樵诩羟袘?yīng)力下的緊固件，其接合方式相對(duì)簡(jiǎn)單、且更有利于載荷的傳遞。

預(yù)緊力對(duì)于剪切應(yīng)用的接頭更加重要，預(yù)緊力越低，連接處的板材之間越容易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。接頭剪切強(qiáng)度的計(jì)算方法是把連接處的螺栓數(shù)量乘以其各自剪切強(qiáng)度，然后再乘以橫向平面數(shù)量（我們熟知的單剪和雙剪）。

剪切應(yīng)用中的螺栓被擰到所需的扭矩時(shí)，連接處相接觸的板材之間基本不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，直到外力超過摩擦阻力。因此，通過提高連接板材間的摩擦力可以有效提高接頭強(qiáng)度。

疲勞，相對(duì)就復(fù)雜一些了，但是絕大部分的螺栓失效都是由疲勞引起的。相比于在靜態(tài)條件下，周期性的、循環(huán)往復(fù)的外應(yīng)力使得螺栓更容易失效。疲勞強(qiáng)度取決于載荷力的數(shù)量和量級(jí)。

腐蝕造成失效的方式多種多樣，包括化學(xué)分解、不同金屬接觸引起的電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等等。

化學(xué)分解大多源于酸，例如雨水；電化學(xué)腐蝕源自不同金屬間的電位差；應(yīng)力腐蝕開裂主要對(duì)高強(qiáng)度合金鋼緊固件在極高抗拉強(qiáng)度應(yīng)用下影響較大。腐蝕造成的失效，通常以表面裂紋的形式顯現(xiàn)。

高強(qiáng)鋼緊固件非常容易受氫脆的影響。材料中產(chǎn)生了氫原子并在整個(gè)材料中發(fā)生擴(kuò)散。當(dāng)施加載荷后，氫遷移到應(yīng)力最大的位置處，并在晶界之間發(fā)生沉淀，使得緊固件發(fā)生斷裂。在酸洗、電鍍或暴露于富氫環(huán)境下都有可能產(chǎn)生氫原子。

連接失效并不能與緊固件失效完全地畫等號(hào)。許多與緊固件相關(guān)的因素，例如震動(dòng)，可以降低螺紋摩擦阻力，又比如螺栓在高溫下發(fā)生蠕變等都會(huì)引起預(yù)緊力的損失。甚至連接失效都有可能歸結(jié)于安裝孔偏大、承載面積偏小、材料太軟、載荷太高等等。

以下是一些常見的螺栓失效分析：

1．  失效在頭部，可能存在彎曲應(yīng)力或是發(fā)生疲勞；

2．  在夾層區(qū)域發(fā)生頸縮，可能是存在過載問題；

3．  凹坑、點(diǎn)蝕或可見的銹跡表明是腐蝕問題；

4．  失效發(fā)生在第一個(gè)嚙合的螺紋處，表明應(yīng)力集中導(dǎo)致的疲勞問題；

5．  安裝后不久，發(fā)生干凈的、平整的斷裂，是為氫脆引起的。

從根本上來說，選擇正確尺寸和強(qiáng)度等級(jí)的緊固件可以避免發(fā)生失效的問題。同樣也許考慮安裝過程中的“變量”，例如潤(rùn)滑劑、電鍍、粘合劑，以及承載表面和內(nèi)螺紋材料等問題。因?yàn)檫@些因素會(huì)影響到轉(zhuǎn)矩系數(shù)，而這個(gè)轉(zhuǎn)矩系數(shù)直接影響安裝扭矩的正確計(jì)算。