定力螺栓斷裂的機(jī)理分析

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1、定力螺栓斷裂的機(jī)理分析-機(jī)械制造論文定力螺栓斷裂的機(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(guò)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(lèi)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(zhuān)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

2、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(guò)大會(huì)使螺栓過(guò)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(guò)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。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

3、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

4、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(kāi)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(guò)程是裂紋緩慢擴(kuò)展的過(guò)程，成為裂紋的亞臨界擴(kuò)展。這一過(guò)程吸收了大量的塑性功，形成的端口比較平坦，成暗灰色，稱(chēng)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(chēng)為放射區(qū)（圖2）。

5、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。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(guò)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(guò)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(kāi)，其中α為螺紋升角

6、，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)

7、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