常见紧固件失效分析

常见紧固件失效分析

（1）通常紧固件的失效，包括下面几种：

① 装配拧拉断裂；

② 螺纹受剪切力拧断；

③ 应力集中部位使用后断裂；

④ 疲劳断裂；

⑤ 延时断裂；

⑥ 零件扭矩报警；

⑦ 螺纹滑牙。

（2）失效产生的原因，来源于下面三个方面之一或综合在一起：

① 紧固件制造过程的质量问题导致紧固件失效；

② 紧固件选配或部件的使用问题（包括人为的）导致紧固件失效；

③ 紧固件装配问题导致紧固件失效。

（3）下面先举几个大家日常见到的紧固件失效例子：

1）为了确定一个产品设计是否可靠，有很多方法可以进行破坏性测试来验证确认。通常很多生产厂最喜欢的是，有意地在受控环境中（给定工况和载荷谱）破坏一个组件（例如试验到紧固件断裂为止），以确定一个或多个组件（包括紧固件）的性能，最终获得一些导致产品失效的原因。这方面导致的紧固件失效是人为有意导致的，这种方式及结果是否完全合理不好简单评价。

2）还有消费者有意无意地经常性滥用产品的问题。举个例子来说，一个人花了更多的时间在一个低价的桌上摆弄他的沉重的公文包和行李箱，而不是在桌子上工作。不久，支撑桌子的紧固件就会松动或破裂而失效，这种紧固件故障可能导致人身伤害，但制造商不太可能召回产品，因为是客户使用不当导致了问题。

3）沃尔沃汽车在2017年3月召回了三种车型，原因是用于固定侧帘安全气囊的螺栓出现故障。固定安全气囊的螺栓制造过程质量没有有效管控，可能会因内部氢脆而迅速断裂。沃尔沃工程师们认为，整个安全气囊设计结构上是合理的，但由于紧固件制造过程产生的潜在缺陷导致需要对整个气囊总成进行更换。

4）松动的紧固件也可能最终失效。两年前，越野车制造商北极星不得不召回所有的指挥官车型，因为输入轴紧固件松动，并允许轴沿动力转向花键的长度方向移动。在极端情况下，这种移动可能导致轴与花键完全分离。

5）通用汽车企业的工程师们在2014年发现了几个车型的紧固件松动，导致该企业今年召回了500000多辆汽车。雪佛兰黑斑羚有一个“强力定型”的紧固件，没有拧紧到规范要求的扭矩。GMC全地形车、别克君威、长曲棍球和凯迪拉克SRX前排座椅和乘客座椅自由地上下移动导致一次撞车，三人受伤。

据统计，在95%的故障中，紧固件在安装或维修过程中出了问题，另外5%是因为使用了错误的紧固件。

（5）从紧固件的制造和装配过程看失效原因

紧固件与所有其他制造产品有一个共同点：制造控制得越好，性能越好。在制造过程中，有几个因素影响紧固件质量：

1）如果温度达到700摄氏度左右，在热处理过程中可能发生金属脱碳，而且炉内没有足够的保护气氛。这可能会导致螺纹处变软脱落。

2）淬火和回火（或拉伸）是钢紧固件最常用的热处理工艺之一。紧固件应在从淬火中取出后和完全冷却前几分钟内进行回火。否则可能导致淬火开裂、过早失效或使用寿命短于正常使用寿命（见图1）。

3）在紧固件头部成形过程中，金属的晶粒流线在正确的方向上是很重要的。向螺栓头部与杆部交界处的圆角处急剧移动的晶粒流线不能产生良好的流动（见图2）。这可能会使紧固件在安装过程中头部容易断裂。

图 2 在头部成形过程中，金属的晶粒流线向正确的方向成形是非常重要的。左边的图像表示符合SAE USCAR8规范的可接受颗粒流。

大家在制造过程中需要检查紧固件，以确定合适的晶粒流动模式，检查员用盐酸和水将样品紧固件的头部分段煮沸1分钟，这样就可以很容易地评估晶粒的流动。例如，大家的汽车客户使用的所有头螺栓和螺钉必须满足SAE USAC8规范的晶粒流动模式。

4）当扭矩太大时，靠近头部的螺纹太近的话会增加头部的压力。这种情况也可能导致从头到杆部的失败。因为这个缺陷会增加径向应力，当它出现在紧固件中时会加速氢脆（见图3）。

图 3  氢脆是紧固件失效的常见原因。照片中的箭头表示荷载应力区域。

当氢在紧固件电镀过程中被吸附在钢中并沿晶界移动到应力集中时，会发生内部氢脆。这可能会在负载下导致突然的灾难性故障。

5）大多数螺纹紧固件都经过电镀或保护涂层处理，以防止生锈或腐蚀，然后根据ASTM B117（盐雾试验）测试其抗腐蚀性，这一过程可能导致保护涂层的破坏。

6）在最终测试和装配的过程中，每个紧固件都会遭受一些或多或少的破坏，导致保护涂层可能会受损。在使用过程中可能出现过早的红色（氧化铁）锈蚀。

7）另一个常见的问题是浸渍旋涂。它提供了极好的防腐蚀保护，但当过多的电镀填充小螺钉的头部时，可能会导致不能顺利的钻孔。

紧固件的几何结构、材料、热处理、表面处理和其他因素都会影响其从装配到安装产品的使用寿命期间的性能，因此，应始终将紧固件视为工程部件而不是简单的标准件。

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