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高强度螺栓断裂的原因与预防

高强度螺栓断裂的原因与预防

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高强度螺栓在服役过程中,发生断裂的危害性极大,是紧固连接最为致命的一种失效形式。

今天,针对高强度螺栓在服役过程中经常出现的各种断裂形式,阐述了其宏观观察的主要特征与识别。

同时,从制造的角度出发,介绍了预防其发生的控制方法。

01

高强度螺栓断裂形式与特征识别

高强度螺栓在服役过程中,经常出现的断裂形式有:过载断裂、脆性断裂、延迟断裂、疲劳断裂四种。

1、过载断裂

过载断裂—是当高强度螺栓承受的轴向拉应力超过其危险截面所能承受的拉应力时,所发生的断裂被称为过载断裂,这种断裂形式常为塑性断裂。

断口宏观特征与识别

这种断裂与拉伸试验断裂类似,断口有明显的塑性变形,出现“缩颈”现象,并呈“杯锥”状。当塑性较好时,还会出现杯锥与轴线呈近似45º的夹角。

易发部位

易在高强度螺栓螺纹处或杆部最小截面处发生。

2、脆性断裂
脆性断裂— 一般把高强度螺栓断面收缩率小于5%(无明显塑性变形)的断裂,称之为脆性断裂。

断口宏观特征与识别

断口平齐光亮,常出现放射状、人字纹或光亮的结晶状。在光线下,可见闪闪发亮
的结晶面(也称小刻面)。这种断口可以很容易吻合复原。(如下图所示)

易发部位

易在高强度螺栓的头杆结合部位、螺杆处发生。

3、延迟断裂
延迟断裂-是在静应力作用下,高强度螺栓经过一定时间后,发生脆性断裂的现象。

断口宏观特征与识别

断口一般呈冰糖状,断面分脆性断裂区和瞬时断裂区两个区。脆性断裂区的断口与脆性断裂特征基本一致,断口崭新、平齐,无塑性变形。断面较为粗糙,断裂区呈结晶颗粒状,有撕裂棱(放射棱),金属色泽较明亮。

瞬时断裂区断面金属呈暗灰色纤维状,有时还会出现不明显的剪切唇,断口处的结晶面在灯光照射下,有闪闪发光现象。

易发部位

易在高强度螺栓头部、光杆和螺纹过渡区以及螺杆处发生。
4、疲劳断裂
疲劳断裂-是指高强度螺栓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,使其力学性能下降,最终导致的完全断裂,这个过程称为疲劳断裂。

断口宏观特征与识别

断口处无明显的塑性变形现象,断裂面由疲劳断裂区和最终断裂区两部分组成(如下图)。 

观察断口可发现,断面粗糙、为暗灰色,断面呈“纤维”状或“鹅毛”绒状,同时出现纤维区、放射区和断裂区(见下图所示)。

疲劳断裂区又由疲劳源和裂纹扩展区两部分组成,在此区域的断裂面晶粒较细光滑,有时候会呈光亮的研磨面。

用放大镜观察,可见年轮,也称为“贝壳”纹,这也是判定疲劳断口的主要特征。

在最终断裂区,断面凹凸不平状,较为粗糙,呈暗灰色,在边缘会出现剪切唇。

易发部位

易在高强度螺栓头部、光杆和螺纹过渡区以及螺纹与螺母配合时受力最大的第一扣螺牙处发生。

02

高强度螺栓断裂原因与预防

依据高强度螺栓各种断裂形式的原因,在生产制造过程中进行有效预防,可以大大减少其在服役过程中的断裂失效概率,避免批量质量事故的发生。

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