高强度紧固件失效实例分析

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1、高强度紧固件失效实例分析一．疲劳断裂的特征1．疲劳与断裂的概念：疲劳是机械零件常见的失效形式，据统计资料分析，在不同类型的零件失效中，有50%—80%是属于疲劳失效。疲劳断裂在破坏前，零件往往不会产生明显的变形和预先的征兆，但破坏却往往是致命的，会酿成重大事故。疲劳损坏产生及发展有其特点，最终形成为疲劳断裂。疲劳问题的探索，最早是在1839年，法国人彭赛列提出材料和结构件的疲劳概念，德国人A·沃勒在1855年研究了代表疲劳性能的应力应变与震动次数的理论（S—N曲线），并且提出了疲劳极限的概念，因此，沃勒被称为材料疲劳理论的奠基人。疲劳与断裂的力学理论经过一百

2、多年的发展，各行业具体疲劳断裂事例不断涌现，经过科学家及工程师不间断地研究和探索，目前，疲劳断裂科学理论不断地充实和发展，从而在本质上了解了疲劳破坏的机理。疲劳概念的论述：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的性能变化称为疲劳；疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称为疲劳断裂。也可简称为金属的疲劳。引起疲劳断裂的应力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点。2．疲劳的分类：（1）高周疲劳与低周疲劳如果作用在零件或构件

3、的应力水平较低，破坏的循环次数高于105的疲劳，称为高周疲劳，弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲劳见多。作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次数较低，一般低于104的疲1劳，称为低周疲劳。例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲劳。（2）应力和应变来分：应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周疲劳；应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周疲劳。复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称为复合疲劳。（3）按照载荷类型弯曲疲劳扭转疲劳拉拉疲劳与拉压疲劳接触疲劳振动疲劳随着断裂力学的不断发展，行业内广大的

4、技术人员逐渐认识疲劳裂纹的产生及其发展的规律，为控制和减少疲劳引起损害奠定了基础。3．疲劳断裂的特征：宏观：裂纹源—→扩展区—→瞬断区。裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区域是产生裂纹源的前提条件。疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝纹线。瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域，断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性条纹并具有剪切唇区。微观：疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶体学上的名称，在微观显象上出现的小平面），以及韧窝等微观区域特征。4．疲劳断裂的特

5、征：（1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。（2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时屈服强度的应力负荷。（3）疲劳破坏后，一般能够在断口处能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后这前三种疲劳，往往二种或二种以上交错进行或出现。前三种类型一般在机械运动中经常出现，是疲劳损坏的主要形式。2断裂的三个区域的组成部分。二．疲劳断裂实例分析：实例．在辽宁某海边风场发现一根双头螺柱断裂。服役状况：双头螺柱规格：M30×2×475；头标号：1L200444；生产日期：2007年10月；安

6、装日期：2008年6月。在2010年6月，风机进行检修并重新安装，于2011年1月初发现有一个双头螺栓断裂。由于螺杆断裂产生有一段时间（几天），发现后再取下螺柱，宏观断口形态出现部分损坏和生锈情况，但从断口处依然可见疲劳引起断裂的一些信息。（见图一）图一．双头螺柱断口1．断口形状宏观现象：（1）断口的下方左右二侧有凹凸不规则状形态出现，左侧有弧线凸状缺口；右侧的沿表面有锯齿状多个微小缺口存在；最下端弧面形成锋利的刀口状态。（2）在广大的中间区（扩展区），许多条贝纹状线条清晰可见。（3）在初始区与广大的贝纹区的断面出现锈迹。3（4）在瞬时断裂区有明显的剪切唇口

7、，而且剪切唇区的组织细腻；并且这个区域的断面光滑明亮，没有出现锈迹（说明瞬断时间不长）。（5）在断裂螺栓的下方区域，螺杆光滑明亮，磨擦痕迹十分明显，是经过反复摩擦而形成的光滑的弧面。（见图一、图二）（6）断口处的杆径尺寸变化不明显。（见图二）图二．断裂的双头螺栓宏观现象分析：（1）裂纹源产生在下侧，下边光滑切口及左右锯齿形、弧形缺口，是产生裂纹的源头。（2）断裂试样断口中，裂纹的扩展区域，贝纹线清晰，下段（初期）贝纹线间隙距离比较小，在切向应力反复作用下缓慢扩展，上段区域贝纹线间距扩大，反映裂纹扩展速度在加快（见图一）。（3）在瞬时断裂区域（见图一），形成光

8、滑明亮的剪切唇区，剪切唇宽大明显，显示出延性断口的特