螺紋緊固件常見失效模式分析

何允文

摘 要：文章主要列舉了螺紋緊固件常見的失效模式，針對失效模式分析失效產(chǎn)生的原因，并列舉實(shí)例進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：緊固件；失效；原因

中圖分類號：TH131.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）29-092-02

機(jī)械類產(chǎn)品裝配中，零件與零件之間主要依靠緊固件聯(lián)接。其中螺紋緊固件應(yīng)用最為廣泛，緊固件的性能及聯(lián)接效果直接影響到產(chǎn)品的性能和安全以及使用壽命。緊固件的失效是常見機(jī)械類產(chǎn)品質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因，因此螺紋緊固件失效模式的潛在原因分析，對產(chǎn)品的質(zhì)量提升有重要的意義。

1 螺紋緊固件常見的失效模式

在我們工作中遇到的螺紋緊固件主要的失效模式看分為：

①裝配擰拉斷裂；

②螺紋受剪切力擰斷；

③應(yīng)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。

2 常見失效模式的原因分析

2.1 裝配擰拉斷裂

擰拉斷裂特征為斷裂部位明顯縮頸伸長，造成擰拉斷裂的常見原因主要是由于聯(lián)接面摩擦系數(shù)過小；擰緊或預(yù)緊時施加的扭矩過大、施加扭矩時套筒與螺紋不同軸、施加扭矩時速度過快；零件本身的性能強(qiáng)度不夠以及緊固面與螺紋中心線垂直度超差。

2.2 螺紋受剪切力擰斷

受剪切力擰斷的斷口部位一般有螺旋狀，無明顯縮頸，造成螺紋受剪切力擰斷的常見原因是由于螺紋在擰緊過程中被卡死，例如：螺紋變形、相互聯(lián)接的牙型不一致、螺紋有焊渣燈情況；螺栓擰進(jìn)的斷面被頂住，如螺母為盲孔的有效螺紋深度不夠。

2.3 應(yīng)力集中部位使用后斷裂

應(yīng)力集中部位使用后斷裂常見表現(xiàn)在螺栓頭部及頭部與螺紋桿過度的直角部位，造成應(yīng)力集中部位斷裂的常見原因?yàn)轭^部與螺紋桿過度的直角部位圓角過小；螺栓冷鐓成型時在頭部的塑性流線存在缺陷。被聯(lián)接面與螺栓垂直度超差。

2.4 疲勞斷裂

在螺栓連接后使用的過程中主要的斷裂為疲勞斷裂，造成疲勞斷裂的常見原因有：預(yù)緊力不足；夾緊力衰減過大；螺栓尺寸、性能不合格；零件之間的相互配合、裝配環(huán)境、使用工況不能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 延時斷裂

延時斷裂常見原因?yàn)闅浯啵瑲浯嗍窃谏a(chǎn)過程（如電鍍、焊接）中進(jìn)入鋼材內(nèi)部的微量氫，在內(nèi)部殘余的或外加的應(yīng)力作用下導(dǎo)致材料脆化甚至開裂。常見易發(fā)生氫脆的緊固件有：自攻釘/彈性墊圈/8級以上的經(jīng)過電鍍表面處理的螺栓。

2.6 零件扭矩報警

零件扭矩報警常見發(fā)生在通過角度法控制扭矩的螺栓裝配過程中。造成緊固件扭矩報警失效模式及原因有：在裝配完成后，零件的最終扭矩，高于控制上限或低于控制下限：原因?yàn)榱慵难b配扭矩控制范圍不合理，表現(xiàn)為設(shè)定控制范圍過小、控制范圍往上或往下偏移，如圖1所示，其中f上、f下為摩擦系數(shù)。

沒有預(yù)緊到預(yù)設(shè)角度，扭矩達(dá)到上限報警：原因?yàn)榱慵旧砟Σ料禂?shù)超上限、零件配合摩擦系數(shù)超上限、零件之間干涉，造成裝配扭矩急劇上升。

正常裝配，扭矩下限報警：原因?yàn)榱慵旧砟Σ料禂?shù)超下限或零件配合摩擦系數(shù)超下限，零件擰入時貼合扭矩大于初始扭矩（也即擰入力矩消耗過大），常見于鎖緊螺母的擰緊。

2.7 螺紋滑牙

螺紋連接常常出現(xiàn)螺紋滑牙，造成螺紋滑牙的主要原因有螺紋脫碳：常見現(xiàn)象為裝配時感覺扭矩加不上，螺栓拆下后，發(fā)現(xiàn)螺紋全部或部分被磨平，以及螺栓螺紋或者螺母孔表面硬度低；內(nèi)外螺紋尺寸配合：相配合的聯(lián)接付接觸面積小，有兩種情況：一是接齒合的螺紋扣數(shù)少，二是螺紋與螺紋不在中徑以內(nèi)接觸（即精度配合不好，螺栓螺紋和螺母的螺紋接觸不夠）。

同時，在裝配方法上如果裝配不對孔，強(qiáng)擰也會造成螺紋滑牙；螺紋摩擦系數(shù)過小：表面涂層、表面粗糙度、表面潤滑劑不合理和螺栓螺紋或者螺紋孔有異物，損壞螺紋以及螺栓跟螺母的螺距、角度變異都會導(dǎo)致螺紋滑牙。

3 緊固件失效案例分析

3.1 案例描述

2015年3～4月某總裝反饋累計(jì)5件某車型后減震器固定螺栓在打扭力時縮頸、斷裂，如圖2所示，該螺栓使用要求扭矩110+/-15 N.m，設(shè)備設(shè)定值為110 N.m，螺紋規(guī)格為M12×1.75-6h，性能等級10.9，表面處理按GMW3359。

3.2 擰緊力矩的構(gòu)成

螺旋副的擰緊力矩為螺旋副之間的摩擦阻力矩和螺母環(huán)形面與被聯(lián)接件支承面間的摩擦阻力距之和，計(jì)算如下公式：

T1為螺旋副間的摩擦力矩；T2為螺栓環(huán)形面與支承面之間的摩擦阻力距；

F0為預(yù)緊力；

對于M10～M64粗牙普通螺紋的鋼質(zhì)螺栓，螺紋升角1°42′-3°2′，螺旋副當(dāng)量摩擦角ψv≈arctan1.155f（f為摩擦系數(shù)，無潤滑取0.1～0.2）；

d2為螺紋中徑；

d0為螺栓孔直徑，D0為螺母（螺栓）與被聯(lián)接支承面接觸受力的環(huán)形外圓直徑；

fc為螺母（螺栓）與支承面的摩擦系數(shù)。

3.3 分析過程

外觀檢查：斷裂螺栓頭部支承面有殘留黑色油污，油污來源為被聯(lián)接件安裝面被粘到油污。

斷裂螺栓尺寸測量：測量斷裂螺栓大徑φ10.4 mm（未使用的產(chǎn)品實(shí)測螺紋大徑為φ11.85 mm符合標(biāo)準(zhǔn)），斷裂螺栓總長89.8 mm（未使用螺栓實(shí)測總長為85.5 mm，規(guī)定85.9 max），零件其它尺寸未發(fā)生異常。

斷裂螺栓扭矩記錄接近中值，未出現(xiàn)偏上差或超差；圖紙硬度要求：32～39 HRC：斷裂螺栓實(shí)測硬度：36 HRC、35 HRC、36 HRC、36 HRC、37HRC，合格；檢測斷裂螺栓的金相組織未發(fā)現(xiàn)異常，如圖3所示；抽檢在用的2個批次各2件零件檢測抗拉強(qiáng)度，結(jié)果合格。

抽檢在用的2個批次共3件檢測摩擦系數(shù)：0.13、0.13、0.12，符合圖紙要求0.10～0.16。根據(jù)斷裂螺栓及抽檢螺栓的檢測結(jié)果，初步判斷螺栓零件符合設(shè)計(jì)要求；結(jié)合螺旋副的擰緊力矩分析，初步判定為由于聯(lián)接面有油污導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，在同樣裝配扭矩情況下，螺栓承受的軸向力增加，導(dǎo)致螺栓斷裂。把減震器安裝支承面按100%把拭擦干凈再裝配后，該問題沒有再發(fā)生。

4 結(jié) 語

文章通過對生產(chǎn)中常見的螺紋緊固件聯(lián)接問題進(jìn)行分析并列舉解決實(shí)例，對零件生產(chǎn)、裝配的工藝制定具有參考意義，對常見質(zhì)量問題有預(yù)防作用，可減少質(zhì)量問題的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 濮良貴.紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 汪愷.機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[3] 肖偉群.高強(qiáng)螺紋緊固件的失效模式、機(jī)理分析和設(shè)計(jì)原則[J].汽車 工藝與材料，2006，（7）.

[4] 邢紅波，劉長明.范圍.螺紋摩擦系數(shù)檢測對緊固件失效率影響的探 討[J].重型汽車，2013，（2）.