金属科技问题:预紧力对螺栓紧固件疲劳断裂失效影响实例

紧固件在工程结构中扮演了非常重要的角色，如航空航天、基础设施、民用、汽车以及其它工业领域。紧固件失效可能导致灾难性的后果和重大的财务损失。最常见的紧固件失效模式之一是疲劳裂纹萌生和扩展。不充分的设计考虑，材料问题、不足的预紧力、松动和过多的负载都能导致紧固件疲劳。

类似于其他金属零件，紧固件失效包括过载、腐蚀相关的开裂、脆化、蠕变和疲劳。由于外部负载，紧固件过载可能发生在安装或使用过程中。紧固件过载故障的调查应包括材料性能的评价，主要目的是确定导致紧固件破坏的原因，如紧固件的强度以及施加在紧固件上的载荷。

在某些金属中常见的应力腐蚀开裂或氢脆，当紧固件在服役过程中承受静态拉伸时，对紧固件来说也是重要的失效模式。鉴于紧固件的预期应力，材料和环境必须仔细考虑，以适当减轻应力腐蚀开裂或氢脆。在电镀的过程中，氢很可能扩散进入紧固件中，从而造成氢脆。为了减少易感材料的氢脆，紧固件必须进行除氢处理。

疲劳是金属结构中最常见的断裂形式，占断裂的80%。紧固件也不例外，疲劳也是紧固件最常见的断裂原因。当循环载荷超过材料的疲劳强度时，当加载足够的周期，疲劳裂纹就会在紧固件上萌生并扩展。紧固件材料、几何、应力振幅、平均应力和装配参数都会影响疲劳性能。紧固件装配过程是最重要的，但在分析其断裂原因时经常被忽视，它也是紧固件疲劳断裂的主要根源。

断裂的螺栓紧固件

螺栓断口宏观像

螺栓断口体视镜图像

断口分为A和B两个区域，A区和B区

A区高倍形貌：裂纹萌生区形貌

B区高倍形貌：瞬时断裂区形貌

螺栓预紧力-扭矩图：作为屈服强度百分比图

据介绍，文中所用的不锈钢螺栓的动摩擦系数为0.53，螺栓的预紧力为屈服强度的25%，远低于标准规定的50%，更远远低于推荐预紧力为屈服强度的75%。文中螺栓的疲劳断裂原因是预紧力不足。因此，提高预紧力有利于降低螺栓的疲劳敏感性和发生疲劳断裂的概率。

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