零件的失效定义为:一个零件或者部件不能履行设计赋予它规定的功能,称该零件或部件失效。正常的情况下,零件的失效内容最重要的包含三种形式,如下所示:
而紧固件螺丝作为机械上常用的连接零部件,紧固件螺丝的失效会给机械工作带来直接的影响,为了能大家能更早的认知到零部件的失效形式,中崋标准件网根据对紧固件螺丝失效情况的总结,举例分享并对大家说相关失效的预防的方法,希望对大家有所帮助。
图1是一台轧钢机和机内发生失效的位置。该机的设计让滚轧反作用力会被四根巨大的螺栓吸收(称为连杆螺栓,螺纹外径φ475mm本体直径φ450X全长13,975mm)。这四支连杆螺栓当中有两支被侦测到失效,其中一支连杆螺栓已完全断裂,另一支则被侦测到有裂缝,如图2所示。在这两支连杆螺栓当中,失效是发生在螺帽的边缘或其周边在此位置上被滚轧的材料被咬住。连杆螺栓的材质是SCM440。
图3是破裂的表面,它的大部分面积都很容易脆裂,在牙谷附近则可看到出现阶梯状结构的平滑面。此表面是起因于疲劳破裂出现在牙谷并蔓延开来,透过扫描式电子显微镜观察,可看到唯有失效时才会出现的条纹(见图4)。维修后,用连接到连秆螺栓上的应变力量规来测量应力,结果得到了最大重复应力幅度。
此外,图5显示公称直径和螺栓的张力疲劳极限之间的关系。这张图的存在是为了让螺栓的设计工程师方便参照。如图所示,横轴是螺栓的公称直径,纵轴是螺栓的张力疲劳极限(标示为应力幅度),可容易和材料的一般疲劳强度作比较,图中的原始数据是在部分脉动的应力作用之下取得的。在图5中显而易见,与一般的疲劳特性相较之下,尺寸的影响是很明显的,有些设计师若有注意到螺栓有如此低的疲劳强度,就可能会迟疑是否要把螺栓接合到结构物中。一般来说,以螺栓接合的结构物可承受的螺栓疲劳强度施加之应力可达数倍。
某台油压镦粗机的活塞杆之螺纹部位发生了破裂,如图6所示。图7显示此杆肉眼可见的破裂表面。破裂的现象发生在与内螺纹偶合的尾端。此杆的材料是S50C(调质钢)。从破裂表面可以明显看到,因疲劳而破裂的表面占了非常高的比例,因此估计反复应力的幅度接近螺栓的疲劳极限,经过测量,会造成失效的周期循环次数N,是落在25X104个循环。
有时候反复应力不会被施加到螺栓上,亦或者,有时在设计的阶段中很难预测将对螺栓施加多少应力。以下就是这样的一种情况之下螺栓失效的其中一例。图8是一台研磨机的构造图,此机的很多部位都有用到螺栓,最大有可能破裂的是固定住马达的螺栓(长度M20X160mm的6支螺栓)。马达的下方有一个研磨轮(直流电110千瓦)。此马达透过4个皮条与研磨机相连,马达与研磨轮一同被固定在一个滑杆上,此滑杆的设计可以上下滑动。钢胚就放在研磨轮的下方,研磨轮会研磨钢胚一部分的表面。
显然地,小量的反复荷载就施加在用来固定住马达的螺栓上,但在实务上,研磨轮碰触到钢胚时产生的冲击力会透过V型皮条被传递到马达,因此波动的荷载会被施加到螺栓上。此外,除了波动的荷载之外,马达、V型皮条和研磨轮周转时的震动也会被施加到螺栓上。
图9是研磨机专用固定螺栓失效的其中一例。它几乎整个表面都是疲劳破裂的痕迹。从以上的描述以及高比例的疲劳断裂表面来推断,估计反复应力的等级接近螺栓的疲劳极限。
当螺栓失效的状况开始增加,专用的固定螺栓就会被拉伸强度,更高(80 kgf/mm )的新螺栓取代。但新螺栓的疲劳寿命只有接近旧螺栓的一半,因此该螺栓的材料会改成软钢(SS400)作为一种激烈的措施。如此该螺栓的疲劳寿命与起初的旧螺栓相较之下会延长约50%。
如上所述,即使在设计时预估只会产生少量反复应力的螺栓也有一定可能会因为疲劳而断裂。依据不同的个案,强度低的螺栓可能寿命较长。这些重点是与一般的常识相逆的。
若某螺栓断了一条螺纹,破裂的的现象可会相继扩张到别的部位,其中一个典型的例子是压缩机活塞杆的失效。此压缩机属于两用型(约2000千瓦)。由于活塞杆上某一侧的螺丝(M90)断裂了,曲轴就失去了平冲,使得平冲重量的剪力销、夹紧式螺栓、衔接棒和压缩机的边条依序失效。
图10是压缩机往复式活塞秆,这里秀出的是位于外部且没有断裂的活塞杆,从外观的颜色来看,此杆没再次出现疲劳造成的裂缝。图11是此杆的破裂表面,图11(c)和图11(b)所示之活塞杆的纵向截面,此杆的失效现象是从螺帽的尾部开始发生的。由于这是一支往复活式塞杆,它的破裂表面彼此严重撞击且无法用来观测。我们在从螺帽偶合处的尾端数来第12条螺纹上看到了一条颇长的裂缝(见图2.11(c)),可以说此秆的螺纹设计不太合理,它的材质是SNCM625 (调质钢,)活塞杆断裂时,要完全修后则会要消耗五个月的时间。
以下将举例描述土木建筑界的机械使用螺栓发生失效的状况,图12是一台大型的钻床,它用来固定凿子的螺栓断裂了。图12(b)是螺栓的安置状态(M50.长度1,200 mm)。图13是螺栓的外观和破裂的表面,四支螺栓为一组,凿子的往后动作以及透过凿子传输的冲击力道会施加在螺栓上。可使用的时间随着使用方式而不一样,这四支螺栓在使用后的六个月到一年内断裂的。
图13显示破裂的表面上出现疲劳现象常伴随的贝壳状纹路,疲劳破裂的表面佔比超过80%,平滑且就没有出现阶梯状结构,因此能推断反复应已经逼近疲劳极限。
棒磨碎石机是由水平安装的圆筒组成,其内部安装的棒体几乎与碎石机等长,在圆筒沿着轴线做旋转的同时,棒体会被举起然后往下撞击石材。高度抗磨耗的钢板会透过螺栓被接合到碎石机的内壁。用来固定住水泥碎石机之衬垫的螺栓(M40.长度120mm)断裂,棒体撞击产生的冲击力传递到衬垫,使得固定住衬垫的螺栓失效。
图14是衬垫专用螺栓的破裂表面,它是一种典型的疲劳破裂表面,其占比逼近100%,因此推断疲劳导致的裂痕是在某一段距离之外产生并扩大,且荷载转移到其他螺栓上而使得外力降低了,在此情况下,疲劳破裂会接连从一支螺栓扩散到另一支。
该螺栓的材质是SCM435(调质钢)。失效的现象发生在螺帽的尾部,由于石灰粉附著在螺栓上,所以整支螺栓颜色偏白。
国外有句谚语说:“鞋匠的老婆都是赤脚走路”。通用测试机是用来评估测试标本的疲劳特性,所以,测试机会接收重复施加在标本上之荷载的反作用力。虽然特使用的标本会一个接一个被换掉,但测试机本身不会换。测试机使用了很长一段时间时,机上零件的失效会时常发生,图15是一台通用疲劳测试机的油压致动器。制动器内有八支螺栓(双头螺栓)固定住顶盖和底盖,由于侦测到底盖有漏油,所以对底盖的螺栓做检查,并侦测到八支螺栓中有三支失效。图16是固定制动器盖子之螺栓的破裂表面,整个表面都显而易见看到疲劳破裂的表面。失效的现象发生在与内螺纹偶合处的尾端。该螺栓的材质是SCM435(调质钢)。
图17是一台通用疲劳测试机上某一支锚栓的破裂表面,该机与图15所示的机种相同。锚栓失效的现象是发生在螺帽的尾部。该锚栓的材质是SS400。失效的现象是发生在四支锚栓当中的其中一支(24M)上。这种疲劳测试机的建 构让外力和反作用力在机体内可以被接收到。以毫式电子计算机的计算来看,外力根本就没有被施加到锚栓上。此测试机已经使用了近12年,所以锚栓的失效的起因可能是油压致动器松脱时产生 的机体震动。如前述,机械跟着时间衰老就是锚栓失效的其中一个原因。
如前面的案例7所述,即使在设计的阶段有紧密地检验疲劳寿命,元件的疲劳失效仍可能会发生。图18和图19分别是反向弯折测试专用的夹具以及其失效。其螺栓长度M85X 750mm(牙底直径φ78.5mm)。失效的现象发生在内螺纹的尾部。夹具的材质是SCM435(调质钢)。
由于三点弯折测试当中的反作用力是施加在螺栓上,所以推断拉伸应力和弯折应力都施加在螺纹上。这从图19(d)的破裂表面就能看出来,失效的现象发生在三角螺纹上。失效之所以没出现在方形螺纹(图19(a)右侧,牙底直径 φ72.4mm)上,是因为其与螺帽偶合之处会为了调整而有规律间隔的变动,虽然这样的形式不常见,该螺栓的破裂表面未出现贝壳状纹路,这显示测试是以接近稳定的应力振幅来进行。
在铁轨的接合处会有几毫米的间隙让轨道可以热涨冷缩。接合板是用来强化轨道的接合处,会被4或6支轨道螺栓(M24.长度约180mm)夹住。轮子在轨道上滚时,冲击力会施加在轨道的接合处,所以会在螺栓内产生张力和剪切力。图20是轨道螺栓(材质SS400)的失效案例。失效的现象是在不完整的螺纹上发生,属于疲劳失效,一般来说,螺栓的失效发生在三个位置,也就是与内螺纹耦合处的尾端,不完整的螺纹上,以及头部。下方的圆角。螺栓在这三处断裂的机率分别是65% 、20%和15%。但以夹紧式螺栓的疲劳失效来说,八九成的失效发生在与内螺纹耦合处的尾端,除非有采取了特殊手段强化疲劳强度,失效为何会发生在轨道螺栓的不完整螺纹上,原因是单轴张力和剪切力都施加到了螺栓上。
经过举例可总结出,紧固用螺丝是机械很重要的一环,但大多不完全了解其重要性。而是把它认知为一种简单的消费零件。实际上,单一支螺栓的失效依其用途可能会有巨大的影响,上面十中情况描述了螺栓的失效案例,应注意紧固用螺丝的机能和安全性设计之重要。
(1)在螺栓公称直径与螺栓的张力疲劳极限(标示为应力幅度)的关系中,与一般的疲劳特性相较之下,尺寸的影响是很明显的。
(2)即使只有施加少量的反复荷载在螺栓上,螺栓仍可能断裂,因为螺栓会因为松脱或机械零件的寿命老化而随着震动的来源发生震动。
(3)避免紧固用螺丝松脱是很重要的,采用(尤其是内螺纹)软材质的紧固用螺丝,或是规律变换与内螺纹偶合的位 置,都是延长疲劳寿命的有效方式。