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緊固件螺栓彎曲疲勞斷裂的典型案例



發布時間:2020/5/27 16:17:40 點擊次數:624次

緊固件螺栓疲勞斷裂特征

疲勞是機械零件常見的失效形式,據統計資料分析,在不同類型的零件失效中,有50%一80%是屬于疲勞失效。疲勞斷裂在破壞前,零件往往不會產生明顯的變形和預先的征兆,但破壞卻往往是致命的,會釀成重大事故。疲勞損壞產生及發展有其特點,最終形成為疲勞斷裂。

疲勞概念:金屬材料在應力或應變的反復作用下發生的性能變化稱為疲勞。

疲勞斷裂概念:材料承受交變循環應力或應變時,引起的局部結構變化和內部缺陷的不斷地發展,使材料的力學性能下降,最終導致產品或材料的完全斷裂,這個過程稱為疲勞斷裂。也可簡稱為金屬的疲勞。引起疲勞斷裂的應力一般很低,疲勞斷裂的發生,往往具有突發性、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點。

案例:

圖1  雙頭螺柱斷口

1、從圖1雙頭螺柱斷口的形狀宏觀現象分析:

(1) 斷口的下方左右二側有凹凸不規則狀形態出現,左側有弧線凸狀缺口;右側的沿表面有鋸齒狀多個微小缺口存在;最下端弧面形成鋒利的刀口狀態。

(2)在廣大的中間區(擴展區),許多條貝紋狀線條清晰可見。

(3)在初始區 與廣大的貝紋區的斷面出現銹跡。

(4)在瞬時 斷裂區有明顯的剪切唇口,而且剪切唇區的組織細膩;并且這個區域的斷面光滑明亮,沒有出現銹跡(說明瞬斷時間不長)。

(5)在斷裂螺栓的下方區域,螺桿光滑明亮,磨擦痕跡十分明顯,是經過反復摩擦而形成的光滑的弧面。(見圖1、圖2)

(6)斷口處的桿徑尺寸變化不明顯。(見圖2)

圖2 斷裂的雙頭螺栓

2、宏觀現象分析:

(1) 裂紋源產生在下側,下邊光滑切口及左右鋸齒形、弧形缺口,是產生裂紋的源頭。

(2)斷裂試樣斷口中, 裂紋的擴展區域,貝紋線清晰,下段(初期)貝紋線間隙距離比較小,在切向應力反復作用下緩慢擴展,上段區 域貝紋線間距擴大,反映裂紋擴展速度在加快(見圖1)。

(3)在瞬時斷裂區域 (見圖1),形成光滑明亮的剪切唇區,剪切唇寬大明顯,顯示出延性斷口的特征,說明螺栓的強韌性配合比較好。

(4)側向光滑, 螺柱的側面經過反復的側向應力,不斷來回擺動,和孔壁反復地摩擦,形成光滑弧面。

結論:從斷口來看,是比較典型的由彎曲產生的疲勞斷裂,并且從瞬斷區,顯示出延性斷口的性狀。

3、微觀分析

為了進一步查明疲勞斷裂的原因,我們進一步做了微觀分析,經過電子顯微鏡的觀察,了解了產品不同視野的內部組織的狀況(見圖3、圖4、圖5、圖6)。

微觀斷口失效分析:

(1) 從掃描電鏡進行觀察,斷口的裂紋擴展區有明顯的疲勞輝紋,這是疲勞斷裂的微觀形態主要的特征,與宏觀的貝紋線遙相呼應。圖3、圖4、圖5的三個電鏡照片中的白色線條清晰可見疲勞輝紋。

(2)從掃描電鏡圖三、 圖六中的二張照片中,明顯地可見多處韌窩的存在;這是掃描電鏡照片中,反映產品強度與韌性配合比較恰當的微觀顯像,與宏觀照片中的瞬時斷裂區有較大的剪切唇區相互對應,說明雙頭螺栓的強度與塑性配合比較理想。

(3)電鏡圖片沒有 出現解理圖象,只有圖五中,在部分區域才呈現準解理現象;而且準解理與韌窩,在同一圖片中同時交錯出現。也表明了緊固件的脆性現象不明顯,強度與韌性配合比較良好。

結論:螺桿表面有車刀切削痕跡,粗糙度比較大,在反復承受切向彎曲應力后,雙頭螺栓一側車削痕跡,經過摩擦,磨成光滑弧面;反映出雙頭螺栓經受了反復的彎曲、碰撞、摩擦,在地接經受來回擺動的過程中,長期的高頻次的彎曲疲勞,在表面比較粗糙的地方,首先打破缺口,形成了裂紋源,然后隨反復彎曲形成切向應力,裂紋逐步擴展,直至疲勞斷裂。從以上宏觀顯像圖片與微觀分析遙相呼應,可以得出:雙頭螺栓在反復承彎曲中產生疲勞,在彎曲疲勞產生累積效應,至直突發疲勞斷裂。

4、實地考察及拍攝斷裂場景

為了更清楚了解雙頭螺栓斷裂現狀,我們先后二次,從風機安裝現場進行考察與實地調研、了解對雙頭螺栓使用(初次安裝時間及檢修)、安裝(方向、位置)、斷裂(斷口實際狀況及具體部位)廣泛地進行觀察。

在風機現場,三十多臺1.5兆瓦的風能發電機運轉了三年多中,只出現一根雙頭螺柱產生斷裂的狀況。斷裂現象是屬于個例;斷裂螺柱的一側無間隙,緊緊地貼在齒輪孔的一端;另一側卻有較大的縫隙,這是由于安裝時沒有準確的定位,形成螺柱偏離中心位置。雙頭螺柱會隨風產生彎曲及來回擺動,產生了隱患。(見圖7)。

圖7 雙頭螺柱斷裂現狀

為了更好地反映斷裂的狀況,我們從齒輪反面,又拍攝了斷裂螺栓的狀況。在緊貼齒輪孔的一側,雙頭螺柱與齒輪孔,卡得十分緊密,產生了螺栓的一側緊貼齒輪孔現象,沒有任何縫隙;而另一端同樣產生了較大的間隙(見圖8)。

在無縫隙的一側,我們用螺絲批,小刀都無法插入,這說明切向應力是非常巨大。這樣,給拆卸帶來極大的難度,拆卸工作耗費了極其大的精力。

在巨大的垂直于軸向應力作用下,在風機不停的運轉過程中,雙頭螺柱緊貼齒輪孔弧面的一側,經受了對齒孔壁的來回反復地彎曲撞擊,經過較長時期撞擊和摩擦,螺柱的一側顯得光滑明亮,磨擦痕跡十分明顯,完全消除了車削加工痕跡;光滑的側面,類似磨床加工形成的鏡面。

風力發電機以每分鐘17轉速度旋轉,每天15小時計算,一天轉動1.53萬周。半年期間運轉達到2.8*106周,而且應力幅很小,在4mm間來回的擺動,應力水平相對較低;彎曲疲勞的循環次數遠高于105 (按照半年計算,來回的擺動2.8*106周,按照三年半計算,來回的擺動2.0*107周,);這根雙頭螺柱的斷裂,是長期來承受側向應力,彎曲疲勞形成的,符合低應力、高循環次數的高周疲勞規律。是彎曲疲勞產生斷裂的典型例子。

圖8 雙頭螺栓斷裂照(反面拍攝)

5、分析總結:

1)、雙頭螺栓的斷裂屬于彎曲疲勞產生的斷裂。

2)、斷裂的產生是由于安裝不當,形成螺栓一端緊貼齒孔,單向側面受到切應力,在反復運轉中,產生彎曲疲勞斷裂。

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