定力螺栓斷裂的機理分析

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：本文通過對螺栓定力斷裂機理進行分析及計算，分別從失效形式及斷裂源找出導致螺栓斷裂的原因，并對影響預緊力的因素逐一分析，得出預緊力與摩擦系數的關系，對為各類螺栓定力做好技術儲備，并提出防范措施。

關鍵詞：螺栓 斷裂 機理 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定擰緊力矩擰緊螺母與螺栓，使螺栓連接在承受工作載荷之前，預先受到力的作用，也就是預緊力。預緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現縫隙或發生相對滑移。選用合適的預緊力對螺栓連接的可靠性和螺栓的疲勞強度都是有利的，但是預緊力過大會使螺栓過載而被拉斷。

1．背景描述

某飛機發動機后段上支架與機翼對接的M14大過盈螺栓在定力擰緊時，螺栓從螺紋收尾處的螺紋根部發生斷裂（圖1）。斷裂時定力扳手的扭矩值為120N·m，而設計規定值為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并剖切，檢查發現螺母螺紋內含有大量油污。

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

經對螺栓斷口的目視檢查，其表現為以下特征：

（1）螺栓斷口兩側有明顯的塑性變形——頸縮（圖1）；

（2）斷口兩側不能拼合（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受到的實際應力大于螺栓斷裂前所能承受的最大應力。

2.2裂紋源的分析及判斷

經對螺栓斷口的目視檢查（圖2），其表現為以下特征：

（1）塑性變形最劇烈的部位，材料內部三向應力同樣最劇烈，該部位首先有微孔形成。隨著塑性變形的繼續，先前的微孔不斷長大和新微孔的不斷形成長大，在長大的微孔相遇后便連結起來形成微裂紋。微裂紋的形成使材料內部增加了新的應力集中因素，以后便在微裂紋端部產生較集中的塑性變形，這又進一步加速了新的微孔形成和長大，以及與微裂紋的連結，當微裂紋稍大、偏開危險截面時便停止下來。與此同時，在危險截面上還有新的微裂紋形成并擴展。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展的過程，成為裂紋的亞臨界擴展。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）纖維區裂紋擴展到臨界尺寸之后，剩余的有效截面積不足以承受現有載荷，裂紋失穩擴展，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，稱為放射區（圖2）。放射花樣呈發散狀，放射線指向與裂紋擴展方向一致，收斂于裂紋源。

圖2　螺栓斷口目視檢查

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

2.3 螺栓斷裂的主要原因

根據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為螺紋根部受到的實際應力大于螺栓斷裂前所能承受的最大應力，最先斷裂。

3．螺栓預緊力與定力擰緊力矩的相關計算

裝配時螺栓預緊力的大小是通過擰緊力矩來控制的，由《機械設計》可知，擰緊力矩M等于螺紋螺旋副間的摩擦阻力矩MP和螺母環形端面與被聯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為螺紋導程，d2為螺紋中徑，P為螺栓定力時的圓周力，F為擰緊所得到的預緊力，f為摩擦力，N為支撐力，tan為螺旋副當量摩擦角。當勻速擰緊時受力分析，得：

3.2 螺母環形端面與被聯接件支撐面間的摩擦阻力矩MT

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

μ′為螺母環形端面與被聯接件支撐面間的摩擦系數；D、d為螺母環形端面與被聯接件支撐面外徑和內徑。

3.3螺旋副當量摩擦角tanΦ

3.4 擰緊力矩M

由公式可以看出，螺栓的預緊力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，螺栓預緊力F與螺紋螺旋副間摩擦系數μ、螺母環形端面與被聯接件支撐面間的摩擦系數μ′成反比。

4．螺栓預緊力與摩擦系數的關系

為了清楚摩擦系數對螺栓預緊力降低的貢獻率，特做如下研究。

經查：鋼與鋼的動摩擦系數無潤滑時0.15，而有潤滑是則為0.05～0.1，潤滑會大大降低螺紋摩擦系數、螺母支撐面與墊圈支撐面間的摩擦系數。

經試驗，無潤滑時螺栓定力擰緊斷裂的力矩M＞245N·m，查得μ＞0.34，根據擰緊力矩M的計算公式，潤滑斷裂時的預緊力F=38425.547N。無潤滑定力擰緊力矩M=120N·m時，螺栓預緊力F=18725.043N，與潤滑斷裂時的預緊力38425.547N相比：

而在有潤滑時螺栓定力擰緊斷裂的力矩M=120N·m時，通過查相關資料得，0.18＜μ＜0.22。與無潤滑μ＞0.34相比：

綜上所述，潤滑會使螺紋螺旋副摩擦系數降低35%～47%，但在相同定力力矩擰緊的情況下，潤滑會使螺栓預緊力提高一倍多，甚至發生螺栓斷裂。

5．結論及建議

在扭矩值一定的情況下，螺栓預緊力與螺紋螺旋副間摩擦系數μ、螺母環形端面與被聯接件支撐面間的摩擦系數μ′成反比。在螺栓定力時要及時清洗潤滑油，否則不但達不到預期的目的，降低了螺母的摩擦防松效果，在后續工作中螺母會隨時松脫，甚至螺栓斷裂。所以，保持螺栓螺紋、螺母、墊片干凈、無油污，是保證螺栓連接質量的基礎。摩擦系數還受材料、表面處理、光潔度的影響，要一并考慮。

參考文獻

［1］孫志禮， 冷興聚， 魏延剛， 曾海泉. 機械設計 ［M］. 沈陽： 東北大學出版社， 2000.9： 33-37.

［2］劉瑞堂. 機械零件失效分析 ［M］. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學出版社， 2003.9： 1-277.

［3］劉瑞堂， 劉文博， 劉錦云. 工程材料力學性能 ［M］.哈爾濱工業大學出版社， 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：中航飛機漢中飛機分公司 職務：技術專家；研究方向：飛機工藝裝備技術

通訊地址：陜西省漢中市34號信箱工程技術部

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