定力螺栓斷裂的機(jī)理分析

韓　波 李佳鐘 孟治華 王　波（地址，陜西省漢中市 郵編 ：723214）

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定力螺栓斷裂的機(jī)理分析

韓波 李佳鐘 孟治華 王波
（地址，陜西省漢中市 郵編 ：723214）

摘要：本文通過對(duì)螺栓定力斷裂機(jī)理進(jìn)行分析及計(jì)算，分別從失效形式及斷裂源找出導(dǎo)致螺栓斷裂的原因，并對(duì)影響預(yù)緊力的因素逐一分析，得出預(yù)緊力與摩擦系數(shù)的關(guān)系，對(duì)為各類螺栓定力做好技術(shù)儲(chǔ)備，并提出防范措施。

關(guān)鍵詞：螺栓 斷裂 機(jī)理 分析

0.引言

螺栓連接是廣泛采用的連接形式，特定的螺栓連接通常都有定力要求。螺栓定力就是使用帶有指示或限制扭矩裝置的扳手按規(guī)定擰緊力矩?cái)Q緊螺母與螺栓，使螺栓連接在承受工作載荷之前，預(yù)先受到力的作用，也就是預(yù)緊力。預(yù)緊的目的在于增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現(xiàn)縫隙或發(fā)生相對(duì)滑移。選用合適的預(yù)緊力對(duì)螺栓連接的可靠性和螺栓的疲勞強(qiáng)度都是有利的，但是預(yù)緊力過大會(huì)使螺栓過載而被拉斷。

1．背景描述

某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)后段上支架與機(jī)翼對(duì)接的M14大過盈螺栓在定力擰緊時(shí)，螺栓從螺紋收尾處的螺紋根部發(fā)生斷裂（圖1）。斷裂時(shí)定力扳手的扭矩值為120N·m，而設(shè)計(jì)規(guī)定值為122.5±10N·m。

圖1　定力斷裂螺栓照片

將螺母從斷裂的螺紋上擰下來(lái)并剖切，檢查發(fā)現(xiàn)螺母螺紋內(nèi)含有大量油污。

2．螺栓斷裂的原因分析

2.1螺栓斷裂失效形式的分析及判斷

經(jīng)對(duì)螺栓斷口的目視檢查，其表現(xiàn)為以下特征：

（1）螺栓斷口兩側(cè)有明顯的塑性變形——頸縮（圖1）；

（2）斷口兩側(cè)不能拼合（圖1）；

（3）斷口粗糙，呈纖維狀，色澤灰暗（圖2）。

綜上所述，可以判斷螺栓斷裂的失效形式為塑性斷裂失效，其的主要原因是該螺栓在定力時(shí)受到的實(shí)際應(yīng)力大于螺栓斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。

2.2裂紋源的分析及判斷

經(jīng)對(duì)螺栓斷口的目視檢查（圖2），其表現(xiàn)為以下特征：

（1）塑性變形最劇烈的部位，材料內(nèi)部三向應(yīng)力同樣最劇烈，該部位首先有微孔形成。隨著塑性變形的繼續(xù)，先前的微孔不斷長(zhǎng)大和新微孔的不斷形成長(zhǎng)大，在長(zhǎng)大的微孔相遇后便連結(jié)起來(lái)形成微裂紋。微裂紋的形成使材料內(nèi)部增加了新的應(yīng)力集中因素，以后便在微裂紋端部產(chǎn)生較集中的塑性變形，這又進(jìn)一步加速了新的微孔形成和長(zhǎng)大，以及與微裂紋的連結(jié)，當(dāng)微裂紋稍大、偏開危險(xiǎn)截面時(shí)便停止下來(lái)。與此同時(shí)，在危險(xiǎn)截面上還有新的微裂紋形成并擴(kuò)展。這些微裂紋最后以“之”字形連接宏觀裂紋。上述過程是裂紋緩慢擴(kuò)展的過程，成為裂紋的亞臨界擴(kuò)展。這一過程吸收了大量的塑性功，形成的端口比較平坦，成暗灰色，稱為纖維狀斷口，斷口平面與拉力軸線垂直。

（2）纖維區(qū)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸之后，剩余的有效截面積不足以承受現(xiàn)有載荷，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，快速撕裂。這一階段的斷裂吸收的能量顯著降低，形成具有放射狀花樣特征的比較光亮平坦的端口區(qū)，稱為放射區(qū)（圖2）。放射花樣呈發(fā)散狀，放射線指向與裂紋擴(kuò)展方向一致，收斂于裂紋源。

圖2　螺栓斷口目視檢查

綜上所述，可以判斷纖維區(qū)為裂紋源。其位于螺紋收尾處的螺紋根部，即此處應(yīng)力最大，最先發(fā)生過載斷裂。

2.3 螺栓斷裂的主要原因

根據(jù)塑性斷裂失效及裂紋源的位置，可得出螺栓斷裂的主要原因?yàn)槁菁y根部受到的實(shí)際應(yīng)力大于螺栓斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，最先斷裂。

3．螺栓預(yù)緊力與定力擰緊力矩的相關(guān)計(jì)算

裝配時(shí)螺栓預(yù)緊力的大小是通過擰緊力矩來(lái)控制的，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，擰緊力矩M等于螺紋螺旋副間的摩擦阻力矩MP和螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件支撐面間的摩擦阻力矩MT之和，即M=MP+MT。

3.1 螺紋螺旋副間的摩擦阻力矩MP

將螺栓螺紋展開，其中α為螺紋升角，S為螺紋導(dǎo)程，d2為螺紋中徑，P為螺栓定力時(shí)的圓周力，F(xiàn)為擰緊所得到的預(yù)緊力，f為摩擦力，N為支撐力，tan為螺旋副當(dāng)量摩擦角。當(dāng)勻速擰緊時(shí)受力分析，得：

3.2 螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件支撐面間的摩擦阻力矩MT

對(duì)任意半徑為r圓環(huán)上的圓周摩擦力矩積分得螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件（或墊圈）支撐面間的摩擦阻力矩：

μ′為螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件支撐面間的摩擦系數(shù)；D、d為螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件支撐面外徑和內(nèi)徑。

3.3螺旋副當(dāng)量摩擦角tanΦ

3.4 擰緊力矩M

由公式可以看出，螺栓的預(yù)緊力F與擰緊扭矩值成M正比，而在擰緊扭矩值M一定的情況下，螺栓預(yù)緊力F與螺紋螺旋副間摩擦系數(shù)μ、螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件支撐面間的摩擦系數(shù)μ′成反比。

4．螺栓預(yù)緊力與摩擦系數(shù)的關(guān)系

為了清楚摩擦系數(shù)對(duì)螺栓預(yù)緊力降低的貢獻(xiàn)率，特做如下研究。

經(jīng)查：鋼與鋼的動(dòng)摩擦系數(shù)無(wú)潤(rùn)滑時(shí)0.15，而有潤(rùn)滑是則為0.05～0.1，潤(rùn)滑會(huì)大大降低螺紋摩擦系數(shù)、螺母支撐面與墊圈支撐面間的摩擦系數(shù)。

經(jīng)試驗(yàn)，無(wú)潤(rùn)滑時(shí)螺栓定力擰緊斷裂的力矩M＞245N·m，查得μ＞0.34，根據(jù)擰緊力矩M的計(jì)算公式，潤(rùn)滑斷裂時(shí)的預(yù)緊力F=38425.547N。無(wú)潤(rùn)滑定力擰緊力矩M=120N·m時(shí)，螺栓預(yù)緊力F=18725.043N，與潤(rùn)滑斷裂時(shí)的預(yù)緊力38425.547N相比：

而在有潤(rùn)滑時(shí)螺栓定力擰緊斷裂的力矩M=120N·m時(shí)，通過查相關(guān)資料得，0.18＜μ＜0.22。與無(wú)潤(rùn)滑μ＞0.34相比：

綜上所述，潤(rùn)滑會(huì)使螺紋螺旋副摩擦系數(shù)降低35%～47%，但在相同定力力矩?cái)Q緊的情況下，潤(rùn)滑會(huì)使螺栓預(yù)緊力提高一倍多，甚至發(fā)生螺栓斷裂。

5．結(jié)論及建議

在扭矩值一定的情況下，螺栓預(yù)緊力與螺紋螺旋副間摩擦系數(shù)μ、螺母環(huán)形端面與被聯(lián)接件支撐面間的摩擦系數(shù)μ′成反比。在螺栓定力時(shí)要及時(shí)清洗潤(rùn)滑油，否則不但達(dá)不到預(yù)期的目的，降低了螺母的摩擦防松效果，在后續(xù)工作中螺母會(huì)隨時(shí)松脫，甚至螺栓斷裂。所以，保持螺栓螺紋、螺母、墊片干凈、無(wú)油污，是保證螺栓連接質(zhì)量的基礎(chǔ)。摩擦系數(shù)還受材料、表面處理、光潔度的影響，要一并考慮。

參考文獻(xiàn)

［1］孫志禮， 冷興聚， 魏延剛， 曾海泉. 機(jī)械設(shè)計(jì) ［M］. 沈陽(yáng)： 東北大學(xué)出版社， 2000.9： 33-37.

［2］劉瑞堂. 機(jī)械零件失效分析 ［M］. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2003.9： 1-277.

［3］劉瑞堂， 劉文博， 劉錦云. 工程材料力學(xué)性能 ［M］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2001.8： 1-94.

［4］］GB/T 192-2003 普通螺紋 基本牙型 ［S］.

作者介紹：姓名：韓波

工作單位：中航飛機(jī)漢中飛機(jī)分公司 職務(wù)：技術(shù)專家；研究方向：飛機(jī)工藝裝備技術(shù)

通訊地址：陜西省漢中市34號(hào)信箱工程技術(shù)部

Mechanismanalysis onfracture of torque bolt

Han Bo， Li Jiazhong， Meng Zhihua，Wang Bo
（Address： Han Zhong， Shanxi Province， China. PC：723214）

Abstract:The fracture mechanism of bolt torque was analyzed and calculated in this paper. The reason of bolt fracture was found from the failure mode and fracture origin. It on the influencing factors of pre-tightening was seriatim analyzed. It found the relationship between the preload and the friction coefficient. The work made the technical reserve for all kinds of bolt torque and gave the precautionary measure.

Key words:bolt； fracture； mechanism； analysis