紧固件有许多种的失效方式,其中最常见的是应力导致金属疲劳失效,这种失效模式是在拉伸应力和某种化学或有害环境的影响下导共同致的。
应力腐蚀裂纹
应力腐蚀裂纹是其失效模式的原因之一,其裂纹扩展直到断裂才被发现。应力腐蚀裂纹是在拉伸应力和腐蚀环境的组合条件下发生的。
环境对应力腐蚀裂纹是至关重要的,因为它只需要非常少量的高活性化学物质就能产生裂纹。这些化学物质包括硝酸盐、碱 (氢氧化物) 或硫化物。
在应力腐蚀裂纹的产生期间,大多时候紧固件材料的外表面没有发生变化。腐蚀性介质主要侵蚀在应力集中处或表面点蚀处。
由于高拉伸应力或冷加工的残余内应力,微小的裂纹来自晶间或穿晶传播,常垂直于施加的应力方向扩展。
脆性断裂在没有任何塑性变形的情况下发生,通常一些韧性材料如铁素体钢,铝、铜和奥氏体钢,在较低的应力水平下就会发生脆性断裂。
合金钢更容易受到应力腐蚀裂纹的影响,并且会传播得更快,因为这类紧固件通常会受到更高的拉力。
奥氏体不锈钢对氯化物应力腐蚀裂纹非常敏感。当钢丝被冷拉和形成时,内部具有冷加工产生的残余应力,当遇到盐性(NaCl)腐蚀环境,就有可能发生失效,解决方案是使用316型不锈钢。
氢 脆
氢脆是指由于过量的氢原子进入金属基体后 ,在应力作用下 ( 很可能是在材料的屈服强度以下 , 甚至是在正常的设计强度内 ) , 引起金属韧性或承载能力的降低 , 从而发生断裂( 通常是亚微观的断裂 ) 或者突然脆性失效,对硬度超过32HRC的高强度钢和合金钢影响明显。
氢可以通过对钢进行化学加工时进入到紧固件中。例如典型的化学处理方法包括酸洗、磷化和铬酸后电镀处理过程。所有这些过程在化学反应中产生了氢,对于高强度紧固件,则需要烘烤祛氢。
在装配拧紧过程中发生的断裂失效通常不是不是由氢脆造成的。根据氢吸收量、材料硬度和拉伸载荷大小,这些值决定了裂纹扩展速度,通常它在24小时内扩散穿过晶界达到最终断裂。
金属液态脆化
金属液态脆化,是指在接近其熔点的高工作温度下,一种金属在应力下会钢材中扩散,应力越大,形成裂纹和扩展所需的时间就越少。
例如,镀镉金属锁紧螺母非常容易受到高温的影响,当暴露在超过204°C 的高温下时,镉会扩散到钢的晶界中,导致晶间开裂。断裂可能在螺栓或螺母,两者都可能发生断裂。
锌、铅、镉和锡可以在低于熔点的温度下使钢脆化。在高于343°C下锌可导致金属脆化。所以,许多钢在热浸镀锌过程中会导致延展性损失和开裂。
组织内大的晶粒尺寸会使脆化更严重,断裂的应力会随晶粒直径成反比。因此,为了避免高强度紧固件脆化,应确保热处理产生精细的晶粒结构。
腐蚀疲劳
腐蚀疲劳与应力腐蚀开裂不同,腐蚀性点蚀导致脆性裂纹的发展,材料处于拉伸应力下就会产生疲劳失效。可通过渗氮、电镀或喷丸来缓解腐蚀疲劳的发生。
螺丝君经验总结
在腐蚀性环境中,高应力更容易使裂纹扩展,故接头设计时,应注意应用环境和选择用于兼容性的紧固件材料。