高強(qiáng)度緊固件失效實(shí)例分析

PAGEPAGE9高強(qiáng)度緊固件失效實(shí)例分析ⅰ疲勞斷裂的實(shí)例一．疲勞斷裂的特征1．疲勞與斷裂的概念：疲勞是機(jī)械零件常見的失效形式，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，在不同類型的零件失效中，有50%—80%是屬于疲勞失效。疲勞斷裂在破壞前，零件往往不會(huì)產(chǎn)生明顯的變形和預(yù)先的征兆，但破壞卻往往是致命的，會(huì)釀成重大事故。疲勞損壞產(chǎn)生及發(fā)展有其特點(diǎn)，最終形成為疲勞斷裂。疲勞問題的探索，最早是在1839年，法國人彭賽列提出材料和結(jié)構(gòu)件的疲勞概念，德國人A·沃勒在1855年研究了代表疲勞性能的應(yīng)力應(yīng)變與震動(dòng)次數(shù)的理論（S—N曲線），并且提出了疲勞極限的概念，因此，沃勒被稱為材料疲勞理論的奠基人。疲勞與斷裂的力學(xué)理論經(jīng)過一百多年的發(fā)展，各行業(yè)具體疲勞斷裂事例不斷涌現(xiàn)，經(jīng)過科學(xué)家及工程師不間斷地研究和探索，目前，疲勞斷裂科學(xué)理論不斷地充實(shí)和發(fā)展，從而在本質(zhì)上了解了疲勞破壞的機(jī)理。疲勞概念的論述：金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下發(fā)生的性能變化稱為疲勞；疲勞斷裂：材料承受交變循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)，引起的局部結(jié)構(gòu)變化和內(nèi)部缺陷的不斷地發(fā)展，使材料的力學(xué)性能下降，最終導(dǎo)致產(chǎn)品或材料的完全斷裂，這個(gè)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(yīng)力一般很低，疲勞斷裂的發(fā)生，往往具有突發(fā)性、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點(diǎn)。2．疲勞的分類：（1）高周疲勞與低周疲勞如果作用在零件或構(gòu)件的應(yīng)力水平較低，破壞的循環(huán)次數(shù)高于的疲勞，稱為高周疲勞，彈簧、傳動(dòng)軸、緊固件等類產(chǎn)品一般以高周疲勞見多。作用在零件構(gòu)件的應(yīng)力水平較高，破壞的循環(huán)次數(shù)較低，一般低于的疲勞，稱為低周疲勞。例如壓力容器，汽輪機(jī)零件的疲勞損壞屬于低周疲勞。（2）應(yīng)力和應(yīng)變來分：應(yīng)變疲勞——高應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)較低，稱為低周疲勞；應(yīng)力疲勞——低應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)較高，稱為高周疲勞。復(fù)合疲勞，但在實(shí)際中，往往很難區(qū)分應(yīng)力與應(yīng)變類型，一般情況下二種類型兼而有之，這樣稱為復(fù)合疲勞。（3）按照載荷類型這前三種疲勞，往往二種或二種以上交錯(cuò)進(jìn)行或出現(xiàn)。前三種類型一般在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常出現(xiàn)，是疲勞損壞的主要形式。這前三種疲勞，往往二種或二種以上交錯(cuò)進(jìn)行或出現(xiàn)。前三種類型一般在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常出現(xiàn)，是疲勞損壞的主要形式。扭轉(zhuǎn)疲勞拉拉疲勞與拉壓疲勞接觸疲勞振動(dòng)疲勞隨著斷裂力學(xué)的不斷發(fā)展，行業(yè)內(nèi)廣大的技術(shù)人員逐漸認(rèn)識疲勞裂紋的產(chǎn)生及其發(fā)展的規(guī)律，為控制和減少疲勞引起損害奠定了基礎(chǔ)。3．疲勞斷裂的特征：宏觀：裂紋源—→擴(kuò)展區(qū)—→瞬斷區(qū)。裂紋源：表面有凹槽、缺陷，或者應(yīng)力集中的區(qū)域是產(chǎn)生裂紋源的前提條件。疲勞擴(kuò)展區(qū)：斷面較平坦，疲勞擴(kuò)展與應(yīng)力方向相垂直，產(chǎn)生明顯疲勞弧線，又稱為海灘紋或貝紋線。瞬斷區(qū)：是疲勞裂紋迅速擴(kuò)展到瞬間斷裂的區(qū)域，斷口有金屬滑移痕跡，有些產(chǎn)品瞬斷區(qū)有放射性條紋并具有剪切唇區(qū)。微觀：疲勞斷裂典型的特征是出現(xiàn)疲勞輝紋。一些微觀試樣中還會(huì)出現(xiàn)解理與準(zhǔn)解理現(xiàn)象（晶體學(xué)上的名稱，在微觀顯象上出現(xiàn)的小平面），以及韌窩等微觀區(qū)域特征。4．疲勞斷裂的特征：（1）斷裂時(shí)沒有明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，往往是突然性的產(chǎn)生，使機(jī)械零件產(chǎn)生的破壞或斷裂的現(xiàn)象，危害十分嚴(yán)重。（2）引起疲勞斷裂的應(yīng)力很低，往往低于靜載時(shí)屈服強(qiáng)度的應(yīng)力負(fù)荷。（3）疲勞破壞后，一般能夠在斷口處能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂的三個(gè)區(qū)域的組成部分。二．疲勞斷裂實(shí)例分析：實(shí)例．在遼寧某海邊風(fēng)場發(fā)現(xiàn)一根雙頭螺柱斷裂。服役狀況：雙頭螺柱規(guī)格：M30×2×475；頭標(biāo)號：1L200444；生產(chǎn)日期：2007年10月；安裝日期：2008年6月。在2010年6月，風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢修并重新安裝，于2011年1月初發(fā)現(xiàn)有一個(gè)雙頭螺栓斷裂。由于螺桿斷裂產(chǎn)生有一段時(shí)間（幾天），發(fā)現(xiàn)后再取下螺柱，宏觀斷口形態(tài)出現(xiàn)部分損壞和生銹情況，但從斷口處依然可見疲勞引起斷裂的一些信息。（見圖一）圖一．雙頭螺柱斷口斷口形狀宏觀現(xiàn)象：斷口的下方左右二側(cè)有凹凸不規(guī)則狀形態(tài)出現(xiàn)，左側(cè)有弧線凸?fàn)钊笨?；右?cè)的沿表面有鋸齒狀多個(gè)微小缺口存在；最下端弧面形成鋒利的刀口狀態(tài)。在廣大的中間區(qū)（擴(kuò)展區(qū)），許多條貝紋狀線條清晰可見。在初始區(qū)與廣大的貝紋區(qū)的斷面出現(xiàn)銹跡。在瞬時(shí)斷裂區(qū)有明顯的剪切唇口，而且剪切唇區(qū)的組織細(xì)膩；并且這個(gè)區(qū)域的斷面光滑明亮，沒有出現(xiàn)銹跡（說明瞬斷時(shí)間不長）。在斷裂螺栓的下方區(qū)域，螺桿光滑明亮，磨擦痕跡十分明顯，是經(jīng)過反復(fù)摩擦而形成的光滑的弧面。（見圖一、圖二）斷口處的桿徑尺寸變化不明顯。（見圖二）圖二．?dāng)嗔训碾p頭螺栓宏觀現(xiàn)象分析：裂紋源產(chǎn)生在下側(cè)，下邊光滑切口及左右鋸齒形、弧形缺口，是產(chǎn)生裂紋的源頭。斷裂試樣斷口中，裂紋的擴(kuò)展區(qū)域，貝紋線清晰，下段（初期）貝紋線間隙距離比較小，在切向應(yīng)力反復(fù)作用下緩慢擴(kuò)展，上段區(qū)域貝紋線間距擴(kuò)大，反映裂紋擴(kuò)展速度在加快（見圖一）。在瞬時(shí)斷裂區(qū)域（見圖一），形成光滑明亮的剪切唇區(qū)，剪切唇寬大明顯，顯示出延性斷口的特征，說明螺栓的強(qiáng)韌性配合比較好。側(cè)向光滑，螺柱的側(cè)面經(jīng)過反復(fù)的側(cè)向應(yīng)力，不斷來回?cái)[動(dòng)，和孔壁反復(fù)地摩擦，形成光滑弧面。宏觀分析結(jié)論：從斷口來看，是比較典型的由彎曲產(chǎn)生的疲勞斷裂，并且從瞬斷區(qū)，顯示出延性斷口的性狀。微觀分析為了進(jìn)一步查明疲勞斷裂的原因，又進(jìn)一步做了微觀分析，經(jīng)過電子顯微鏡的觀察，了解了產(chǎn)品不同視野的內(nèi)部組織的狀況（見圖三、圖四、圖五、圖六）。圖三．疲勞輝紋+韌窩圖四．疲勞輝紋圖五．疲勞輝紋+韌窩+準(zhǔn)解理圖六．韌窩以上電鏡圖片由機(jī)械工業(yè)緊固件產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心（上海）提供，報(bào)告編號：JWT110165。微觀斷口失效分析：從掃描電鏡進(jìn)行觀察，斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的疲勞輝紋，這是疲勞斷裂的微觀形態(tài)主要的特征，與宏觀的貝紋線遙相呼應(yīng)。圖三、圖四、圖五的三個(gè)電鏡照片中的白色線條清晰可見疲勞輝紋。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(chǎn)品強(qiáng)度與韌性配合比較恰當(dāng)?shù)奈⒂^顯像，與宏觀照片中的瞬時(shí)斷裂區(qū)有較大的剪切唇區(qū)相互對應(yīng)，說明雙頭螺栓的強(qiáng)度與塑性配合比較理想。電鏡圖片沒有出現(xiàn)解理圖象，只有圖五中，在部分區(qū)域才呈現(xiàn)準(zhǔn)解理現(xiàn)象；而且準(zhǔn)解理與韌窩，在同一圖片中同時(shí)交錯(cuò)出現(xiàn)。也表明了緊固件的脆性現(xiàn)象不明顯，強(qiáng)度與韌性配合比較良好。3．實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論：螺桿表面有車刀切削痕跡，粗糙度比較大，在反復(fù)承受切向彎曲應(yīng)力后，雙頭螺栓一側(cè)車削痕跡，經(jīng)過摩擦，磨成光滑弧面；反映出雙頭螺栓經(jīng)受了反復(fù)的彎曲、碰撞、摩擦，在地接經(jīng)受來回?cái)[動(dòng)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(fù)彎曲形成切向應(yīng)力，裂紋逐步擴(kuò)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(yīng)，可以得出結(jié)論：,雙頭螺栓在反復(fù)承彎曲中產(chǎn)生疲勞；在彎曲疲勞產(chǎn)生累積效應(yīng)，至直突發(fā)疲勞斷裂(見圖一的下方)。三．分析彎曲疲勞斷裂產(chǎn)生的原因：疲勞的產(chǎn)生,擴(kuò)展到斷裂,原因多種多樣，有設(shè)計(jì)、材料、制造、熱處理、安裝等各種原因，為了查明具體的原因，我們將有關(guān)檢測與現(xiàn)場情況進(jìn)行分析：１．經(jīng)過斷裂螺栓的硬度分析檢測：硬度為HRC35，符合國家10.9級螺栓的要求。（上海緊固件研究所測量）這批1L200444的雙頭螺栓，在完成制造后，于2007年11月26日經(jīng)過SGS公司檢測，抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度全部在10.9級中間值的范圍；延伸率，斷面收縮率不但全部達(dá)到性能要求，而且數(shù)值均比較理想，五個(gè)樣品數(shù)值的離散度比較小；各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值，顯示出強(qiáng)度與韌性指標(biāo)配合得比較恰當(dāng)、比較理想，產(chǎn)品性能達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。（見下表一）表一．雙頭螺栓機(jī)械性能檢測報(bào)告3．各項(xiàng)檢測數(shù)值的綜合分析：（1）SGS公司：檢測報(bào)告中檢測中抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度全部達(dá)到10.9級螺栓的技術(shù)要求；（2）上海緊固件研究所：檢測斷裂螺栓的硬度為HRC35，是10.9級螺栓技術(shù)要求的中間數(shù)值，與強(qiáng)度數(shù)值匹配；（3）檢測與顯像：延伸率，斷面收縮率數(shù)值均比較理想，與宏觀的瞬時(shí)斷裂區(qū)寬大的剪切唇、微觀區(qū)域的韌窩互相呼應(yīng)；說明產(chǎn)品的強(qiáng)韌性配合得比較理想；各項(xiàng)檢測的數(shù)值與斷裂的宏觀圖像相吻合。綜合分析結(jié)論：以上數(shù)據(jù)說明，無論是出貨產(chǎn)品檢驗(yàn)，還是斷裂后的產(chǎn)品檢驗(yàn)，雙頭螺栓制造質(zhì)量沒有問題；雙頭螺栓的是屬于彎曲疲勞斷裂。4．安裝實(shí)地考察及拍攝斷裂場景：為了更清楚了解雙頭螺栓斷裂現(xiàn)狀，我們先后二次，從風(fēng)機(jī)安裝現(xiàn)場進(jìn)行考察與實(shí)地調(diào)研、了解；對雙頭螺栓使用（初次安裝時(shí)間及檢修）、安裝（方向、位置）、斷裂（斷口實(shí)際狀況及具體部位）廣泛地進(jìn)行觀察。在風(fēng)機(jī)現(xiàn)場，三十多臺1.5兆瓦的風(fēng)能發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)了三年多中，只出現(xiàn)一根雙頭螺柱產(chǎn)生斷裂的狀況。斷裂現(xiàn)象是屬于個(gè)例；斷裂螺柱的一側(cè)無間隙，緊緊地貼在齒輪孔的一端；另一側(cè)卻有較大的縫隙，這是由于安裝時(shí)沒有準(zhǔn)確的定位，形成螺柱偏離中心位置。雙頭螺柱會(huì)隨風(fēng)產(chǎn)生彎曲及來回?cái)[動(dòng)，產(chǎn)生了隱患。（見圖七）?？障犊障稛o間隙（摩擦）圖七．雙頭螺柱斷裂現(xiàn)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(cè)，雙頭螺柱與齒輪孔,卡得十分緊密，產(chǎn)生了螺栓的一側(cè)緊貼齒輪孔現(xiàn)象，沒有任何縫隙；而另一端同樣產(chǎn)生了較大的間隙（見圖八）。在無縫隙的一側(cè)，我們用螺絲批，小刀都無法插入，這說明切向應(yīng)力是非常巨大。這樣，給拆卸帶來極大的難度，拆卸工作耗費(fèi)了極其大的精力。在巨大的垂直于軸向應(yīng)力作用下，在風(fēng)機(jī)不停的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，雙頭螺柱緊貼齒輪孔弧面的一側(cè)，經(jīng)受了對齒孔壁的來回反復(fù)地彎曲撞擊，經(jīng)過較長時(shí)期撞擊和摩擦，螺柱的一側(cè)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(cè)面，類似磨床加工形成的鏡面（見圖一）。風(fēng)力發(fā)電機(jī)以每分鐘17轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，每天15小時(shí)計(jì)算，一天轉(zhuǎn)動(dòng)1.53萬周。半年期間運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到2.8×106周，而且應(yīng)力幅很小，在4mm間來回的擺動(dòng)，應(yīng)力水平相對較低；彎曲疲勞的循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)高于（按照半年計(jì)算，來回的擺動(dòng)2.8×106周,；按照三年半計(jì)算，來回的擺動(dòng)2.0×107周，）；這根雙頭螺柱的斷裂，是長期來承受側(cè)向應(yīng)力，彎曲疲勞形成的；符合低應(yīng)力、高循環(huán)次數(shù)的高周疲勞規(guī)律。是彎曲疲勞產(chǎn)生斷裂的典型例子。無間隙無間隙縫隙圖八．雙頭螺栓斷裂照（反面拍攝）5.綜合分析判斷頭標(biāo)為1L200444的雙頭螺栓于2007年10月生產(chǎn)，2007年11月經(jīng)過SGS的檢測，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而且數(shù)值配合比較理想，（見上表一）；風(fēng)電場于2008年六月進(jìn)行安裝并且發(fā)電；經(jīng)過二年運(yùn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)的情況正常；在2010年7月進(jìn)行檢修，并重新進(jìn)行安裝，在安裝中，由于位置偏離，使雙頭螺柱一側(cè)緊靠齒輪孔的一側(cè)，又經(jīng)過半年運(yùn)轉(zhuǎn)，螺栓承受反復(fù)的很大的切向應(yīng)力，產(chǎn)生彎曲疲勞，在不斷地反復(fù)彎曲的過程中，產(chǎn)生疲勞累積效應(yīng)，于2011年一月初發(fā)現(xiàn)了一個(gè)雙頭螺栓產(chǎn)生斷裂。這個(gè)案例是比較典型的由彎曲疲勞累積引起的雙頭螺栓斷裂，是個(gè)案。分析結(jié)論：雙頭螺栓的斷裂屬于彎曲疲勞產(chǎn)生的斷裂。斷裂的產(chǎn)生是由于安裝不當(dāng)，形成螺栓一端緊貼齒孔，單向側(cè)面受到切應(yīng)力，在反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)中，產(chǎn)生彎曲疲勞斷裂。ⅱ.安裝扭矩（預(yù)緊力）選擇不正確引起的失效失效中很大的一部分原因是安裝使用中對安裝扭矩、預(yù)緊力及扭矩系數(shù)了解不明所造成的。其中安裝扭矩是一個(gè)尤其重要課題，值得大家共同分析討論。扭矩系數(shù)、預(yù)緊力對安裝使用的影響1、扭矩系數(shù)的機(jī)理扭矩、預(yù)緊力及扭矩系數(shù)三者之間的關(guān)系：T=K·F·d其中；T－扭矩（N·m）K－扭矩系數(shù)（也稱摩擦系數(shù)）F－緊固力（也稱軸力、預(yù)緊力KN）d－螺紋的公稱直徑mm圖一·安裝時(shí)的扭矩、預(yù)緊力與扭矩系數(shù)的關(guān)系安裝時(shí)，許多使用單位對扭矩值必須重視，這直接影響安裝時(shí)的施工扭矩。為什么同樣的扭矩值，一批產(chǎn)品能達(dá)到預(yù)期的鎖緊效果，而另一批產(chǎn)生鎖緊效果不理想？首先我們要了解扭矩、預(yù)緊力、扭矩系數(shù)三者存在的關(guān)系。從圖一中可以看出，如果螺栓極限強(qiáng)度一定，扭矩?cái)?shù)值確定，扭矩系數(shù)越小，則產(chǎn)生的緊固力越大；但是如果扭矩系數(shù)越大，則產(chǎn)生的緊固力越小（見圖一）。當(dāng)扭矩系數(shù)小到一定的程度，在一定的扭矩的作用下緊固力超過了螺栓的強(qiáng)度極限，高強(qiáng)度螺栓就會(huì)產(chǎn)生斷頭的現(xiàn)象；反之，扭矩系數(shù)過大，則產(chǎn)生的緊固力就會(huì)過小，螺栓連接副就達(dá)不到鎖緊的功能，連接副就會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。因此，要使緊固力在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，則產(chǎn)品的扭矩系數(shù)就要限定在一個(gè)規(guī)定的范圍內(nèi)，目前國家緊固件標(biāo)準(zhǔn)GB/T1231-2000對鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度螺栓連接副作了規(guī)定，扭矩系數(shù)K=0.11~0.15,標(biāo)準(zhǔn)偏差小于等于0.010。鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范也作了同樣的規(guī)定。2.預(yù)緊力的重要性及數(shù)值的選擇：在安裝時(shí)要有效地控制安裝扭矩和緊固軸力（預(yù)緊力），一般均在彈性區(qū)內(nèi)取比較穩(wěn)妥的數(shù)值進(jìn)行安裝，選擇最小拉力負(fù)荷值取的數(shù)值，選擇的數(shù)值必須要合適。見圖二。圖二．緊固扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系圖預(yù)緊力的大小直接影響到緊固件聯(lián)接的可靠性、緊密性、疲勞強(qiáng)度、防松性能；在承受載荷后，預(yù)緊力的數(shù)值直接影響到被聯(lián)接件間產(chǎn)生縫隙或發(fā)生相對滑移的可能性。預(yù)緊力的選擇直接關(guān)系到聯(lián)接的可靠性。預(yù)緊力選擇在一定的范圍內(nèi)，見上圖二。一般是在彈性區(qū)域內(nèi)在彈性區(qū)內(nèi)選取比較穩(wěn)妥的、合適的數(shù)值進(jìn)行安裝，工程安裝一般取最小拉力負(fù)荷值的0.6～0.75倍，比較合適。預(yù)緊力比較小，聯(lián)接的可靠性比較差；適當(dāng)?shù)卦黾宇A(yù)緊力對提高緊固的可靠性和能夠避免上述因素產(chǎn)生，對連接是有益的，但是數(shù)值的選擇必須掌握在彈性區(qū)范圍內(nèi)，這樣到連接比較安全可靠。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》為了充分發(fā)揮出螺栓的工作能力和保證預(yù)緊的可靠性，通常應(yīng)使螺栓擰緊后的預(yù)緊應(yīng)力為：σ預(yù)緊應(yīng)力=（0.5~0.7）σp0.2預(yù)緊力偏小，會(huì)使聯(lián)接松懈，甚至失效；過大的預(yù)緊力卻會(huì)使螺栓在裝配擰緊過程中因應(yīng)力過大（過載）而發(fā)生拉長或斷裂，所以在設(shè)計(jì)時(shí)既要有較高的預(yù)緊力而又要在安全服役工作范圍內(nèi)，使之在擰緊過程和承受工作載荷過程中不發(fā)生過載現(xiàn)象。從T=K·F·d公式中，d是緊固件的規(guī)格是常數(shù)；K扭矩系數(shù)，由生產(chǎn)制造公司提供，如果扭矩系數(shù)不準(zhǔn)確，也會(huì)影響扭矩的數(shù)值，扭矩系數(shù)必須正確；F：是緊固軸力，也稱預(yù)緊力，預(yù)緊力的選擇必須確當(dāng)，它直接影響到安裝扭矩的數(shù)值。下面二個(gè)案例，分別為扭矩（預(yù)緊力）過載和扭矩（預(yù)緊力）不足而引起的緊固件連接失效。二．失效實(shí)例分析：例二：扭力過大引起的失效預(yù)緊力：螺栓在裝配擰緊時(shí),使擰緊的螺紋組合件預(yù)先受到一個(gè)力的作用，這個(gè)力即為預(yù)緊力。2010年10月底,我們到內(nèi)蒙古固陽風(fēng)電場現(xiàn)場察看，在有三十多臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)能發(fā)電廠，其中有一臺風(fēng)機(jī)，有一根雙頭螺栓發(fā)生斷裂現(xiàn)象，在現(xiàn)場看到斷裂的螺栓（見圖三、圖四）。斷裂的螺栓的實(shí)際狀況：規(guī)格：M30×3.5×2×446-10.9雙頭螺栓；材料：42CrMo（B7）生產(chǎn)日期：2010年5月生產(chǎn)宏觀斷口分析：根據(jù)圖三及圖四斷口的形態(tài)，可以透過表象，分析出一些信息：、圖三斷裂螺栓的斷口圖四斷裂螺栓的側(cè)面1．螺栓斷裂的部位是在M30雙頭螺栓的粗牙螺紋的一端處斷裂，這個(gè)部位是螺栓最薄弱的環(huán)節(jié)；（粗牙應(yīng)力面積561mm2、細(xì)牙應(yīng)力面積621mm2、桿部Φ27.16應(yīng)力面積579mm2）斷裂應(yīng)該產(chǎn)生的部位。2．?dāng)嗫谟行┥P，但是還可以清楚地看出組織的情況，組織結(jié)構(gòu)比較細(xì)微，沒有出現(xiàn)粗大組織的狀況；3．?dāng)嗔衙娴挠覀?cè)出現(xiàn)放射樣的條線，左面是不規(guī)則的人字形狀的痕跡，同時(shí)其中還夾雜放射樣的線條；4．?dāng)嗔崖菟ǖ膫?cè)面出現(xiàn)明顯地縮徑現(xiàn)象，說明強(qiáng)度指標(biāo)與塑性指標(biāo)配合得比較理想。（見圖四）。從上面斷裂螺栓照片的宏觀分析來看，沒有疲勞條紋的出現(xiàn)，不是疲勞斷裂。螺栓像是拉力試驗(yàn)斷裂的斷口現(xiàn)象。是42CrMo材料比較典型的、達(dá)標(biāo)機(jī)械強(qiáng)度的斷口形狀，斷面線條及痕跡反映出斷口有良好的強(qiáng)度（圖三）和與之相配合塑性變形的狀態(tài)（圖四），是拉力試驗(yàn)達(dá)到技術(shù)性能要求的正常情況下斷裂形態(tài)；正面和側(cè)面照片，都顯示出了斷裂螺栓有良好的機(jī)械性能。初步判斷，斷裂螺栓的特征，符合機(jī)械性能測試合格的標(biāo)準(zhǔn)要求。公司產(chǎn)品出貨檢測狀況：表五．A機(jī)械性能測試報(bào)告表五．B產(chǎn)品的低溫沖擊試驗(yàn)頭標(biāo)為3RC04520，規(guī)格為M30×3.5×2×446雙頭螺栓，于2010年5月份生產(chǎn)，在5月20日對產(chǎn)品進(jìn)行了各項(xiàng)性能檢測。（見表五）公司的疲勞檢測報(bào)告與宏觀分析情況相吻合，在產(chǎn)品出庫前檢測數(shù)據(jù)完全符合10.9級螺栓的機(jī)械性能要求，而且各項(xiàng)數(shù)值的配合比較理想。第三方檢測情況：為了進(jìn)一步論證宏觀分析的準(zhǔn)確性，經(jīng)過分析，我們認(rèn)為斷裂雙頭螺栓斷裂發(fā)生在最薄弱的環(huán)節(jié)——粗牙螺紋處，對雙頭螺栓其他部位和整體的性能影響不大，可以從斷裂雙頭螺栓實(shí)體，進(jìn)一步取樣做機(jī)械性能試驗(yàn)，這樣產(chǎn)品性能真實(shí)性很強(qiáng)，試驗(yàn)后的數(shù)值更具有說服力；透過試驗(yàn)可以更加明確地發(fā)現(xiàn)和證實(shí)雙頭螺栓斷裂的問題所在。圖六．機(jī)械工業(yè)部檢測中心的報(bào)告我們從風(fēng)機(jī)現(xiàn)場，請風(fēng)機(jī)使用單位將斷裂雙頭螺栓直接送給北京機(jī)械部質(zhì)量監(jiān)督檢測中心。檢測中心檢測了常規(guī)機(jī)械性能的項(xiàng)目。（見圖六）檢測結(jié)果顯示：斷裂螺栓的機(jī)械性能四項(xiàng)指標(biāo)與維氏硬度數(shù)值，完全達(dá)到10.9級螺栓的要求，與我們公司檢測的性能數(shù)值基本一致。從試驗(yàn)數(shù)值說明雙頭螺栓的機(jī)械性能四項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了10.9級螺栓的性能指標(biāo)，是使用方安裝不當(dāng)所引起的，完全存在超過規(guī)定的扭矩?cái)?shù)值，是緊固的預(yù)緊力超過最小的拉力負(fù)荷所造成的。四．分析及結(jié)論：根據(jù)上述的狀態(tài)和各項(xiàng)檢測情況的分析，我認(rèn)為雙頭螺栓的斷裂是超過負(fù)荷狀態(tài)下所造成的，高強(qiáng)度緊固件產(chǎn)品的質(zhì)量沒有問題。分析判斷后，我認(rèn)為可能是由于安裝不當(dāng)所造成的。在現(xiàn)場我也提請他們仔細(xì)回憶安裝的整個(gè)過程，請他們繼續(xù)尋找每個(gè)細(xì)節(jié)，分析可能出現(xiàn)的問題：根據(jù)反映,技術(shù)規(guī)范上要求安裝扭矩在1200N.M，但是實(shí)際值是多少？按照GB∕T19568-2004文件的推薦的各項(xiàng)數(shù)值，不會(huì)產(chǎn)生類似的斷裂問題?，F(xiàn)場的扭矩系數(shù)值是多？扭矩系數(shù)數(shù)值是否與實(shí)際相符合？根據(jù)了解，有幾家公司提供高強(qiáng)度緊固件，每家公司的制造工藝、尺寸有偏差，如果沒有按照不同的參數(shù)操作，很容易產(chǎn)生偏差導(dǎo)致螺栓斷裂。標(biāo)準(zhǔn)偏差是關(guān)鍵數(shù)值；如果標(biāo)準(zhǔn)偏差偏離了要求，會(huì)造成個(gè)別雙頭螺栓的預(yù)緊力超差，甚至?xí)^Rp0.2，造成螺栓失效；從上面的檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)來判斷，扭力不但超過了Rp0.2，甚至超過Rm，造成了雙頭螺栓斷裂。斷口面有放射樣線、人字狀線條；斷口的桿部有明顯地收縮；從斷口的形態(tài)來看，與拉力試驗(yàn)的形態(tài)基本一致，是軸向應(yīng)力超過最小拉力負(fù)載的具體表象（抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，合格樣品的斷口形態(tài)）。安裝方式也是重要因素，大批安裝工人是臨時(shí)抽調(diào)，經(jīng)過簡單培訓(xùn)后上崗；不會(huì)理解安裝時(shí)各個(gè)環(huán)節(jié)的重要性；尤其是必須按照交叉、對稱、逐步、均勻擰緊要領(lǐng)，必須按照預(yù)擰→復(fù)擰→終擰方法的重要性，沒有掌握正確的擰緊的技術(shù)。安裝時(shí)潤滑的種類、方式、部位是否達(dá)到技術(shù)要求，也是高強(qiáng)度緊固件正確安裝連接的關(guān)鍵因素。上述那一條出現(xiàn)偏差，都會(huì)引起雙頭螺栓失效，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂。我們公司的成品檢測，與北京機(jī)械工業(yè)部權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)的斷裂螺栓試驗(yàn)；二次試驗(yàn)的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)完全達(dá)到10.9級螺栓的機(jī)械性能要求，與上述的分析情況一致。（具體看上面圖片及分析）因此可以說明：螺栓斷裂不是緊固件公司制造的原因引起的，而完全是風(fēng)電場實(shí)際安裝不當(dāng)引起的，預(yù)緊力的數(shù)值超過了技術(shù)要求所造成的。例三：扭矩過小引起的擰不緊過小的預(yù)緊力導(dǎo)致聯(lián)接件聯(lián)接不可靠，緊密性差，聯(lián)接件容易產(chǎn)生分離現(xiàn)象(即出現(xiàn)漏氣、滴油)和產(chǎn)生滑移現(xiàn)象(許多聯(lián)接件都依靠聯(lián)接件之間的摩擦力來抵抗剪切強(qiáng)度，而此摩擦力是靠螺栓的預(yù)緊力來保證的，若預(yù)緊力過小，則聯(lián)接件就會(huì)產(chǎn)生滑移，即意味著聯(lián)接體會(huì)產(chǎn)生移位，嚴(yán)重的導(dǎo)致螺栓被剪斷)等現(xiàn)象。2．現(xiàn)場情況：在某風(fēng)電現(xiàn)場產(chǎn)生雙頭螺栓安裝擰不緊的現(xiàn)象，螺栓付安裝后，還可以繼續(xù)再擰的情況?，F(xiàn)場安裝工程師懷疑雙頭螺栓的結(jié)合強(qiáng)度有問題，具體反映在螺栓的螺紋硬度可能沒有達(dá)到技術(shù)要求。我們具體詢問了安裝情況，華銳公司使用海泰克液壓扳手，顯示安裝扭矩為1000N.m，我們認(rèn)為這個(gè)數(shù)值小于我司螺栓連接付的正常扭矩值，是造成螺母一直沒有擰緊的根本原因。（1).我們將更換下的螺栓連接付仔細(xì)觀察，螺栓的螺紋完好，螺栓和螺母互相旋合自如：沒有配合不良旋不進(jìn)；或者配合松動(dòng)現(xiàn)象；旋出后，螺栓沒有損傷，拉長的現(xiàn)象（見附圖七）。圖七更換下的螺栓付完好如初（2）.螺栓付扭矩實(shí)際計(jì)算：按照T=K·F·d公式計(jì)算M30雙頭螺栓連接付扭矩：細(xì)牙：T=K·F·d=0.13×（646×0.7）×30=1763N.M粗牙：T=K·F·d=0.13×（466×0.7）×30=1272N.M其中：扭矩系數(shù)按照K=0.13計(jì)算（見附圖八）圖八.公司扭矩系數(shù)的測量數(shù)值根據(jù)《GB/T19568-2004風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配和安裝規(guī)范》，結(jié)合我們公司實(shí)際扭矩系數(shù)測量值，根據(jù)實(shí)際情況，我們推薦1300N.m-1350N.m的合理安裝扭矩進(jìn)行裝配比較適合。（考慮到有部分細(xì)牙和粗牙的組合應(yīng)用，以及粗牙螺紋預(yù)緊力在0.75范圍內(nèi)比較安全可靠。）（3）.我們對螺栓螺紋進(jìn)行了檢測螺紋的表面硬度為Hv0.3維氏硬度為330.7；螺紋的芯部硬度為Hv0.3維氏硬度為317.5；螺紋的內(nèi)外部差別為Hv0.3維氏硬度為13.2；達(dá)到GB/T3098.1國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，說明緊固件的螺紋合格，達(dá)到要求。（見圖九）圖九維氏硬度檢測（4）原因分析：A．安裝出現(xiàn)問題主要是安裝力矩太小，造成1000N.M沒有達(dá)到最終擰緊狀態(tài)，一些螺栓付好會(huì)出現(xiàn)松脫的現(xiàn)象。由于沒有擰緊，因此再使用1000N.M扭矩復(fù)擰時(shí)仍可繼續(xù)擰緊。B．每一家公司由于緊固件制造公差，會(huì)出現(xiàn)一些偏差影響K系數(shù)的數(shù)值：制造精度、螺紋配合、表面潤滑、測量工具等因素。其中螺紋配合精確度的因素比較重大，直徑影響到K系數(shù)的數(shù)值。C．另外一家公司，螺紋配合比較松，互相配合后還能松動(dòng)，因此扭矩系數(shù)K=0.10，按照1000N.M的數(shù)值T=K·F·d；即1000=0.10×（F×0.7）×30，F(xiàn)=333KN；達(dá)到了預(yù)緊力為最小的負(fù)荷0.58倍的要求。因此對于扭矩系數(shù)K=0.10，安裝扭矩是1000N.M，雖然偏小，仍然是在安裝范圍內(nèi)。D．但是我們公司的扭矩系數(shù)K=0.13，安裝扭矩為1000N.M；這樣F=256KN，只有達(dá)到了預(yù)緊力，最小的負(fù)荷0.44倍的要求，沒有達(dá)到安全安裝扭矩的要求，因此產(chǎn)生擰不緊的現(xiàn)象。我們根據(jù)T=K·F·d；因?yàn)殡p頭螺栓一頭是細(xì)牙,另一頭是粗牙，綜合考慮以粗牙為準(zhǔn)則，預(yù)緊力以最小的負(fù)荷0.6-0.7倍安全的要求，按照0.7倍計(jì)算，安裝扭矩為1590N.m，按照0.6倍計(jì)算，安裝扭矩為1360N.m，因此按照風(fēng)場的習(xí)慣或以往狀況，我們推薦安裝扭矩1350-1400N.m的范圍比較恰當(dāng)。由上分析，可以得出，以上問題與緊固件本身質(zhì)量無關(guān)，主要是安裝不當(dāng)所引起的問題，如果對我司緊固件質(zhì)量產(chǎn)生疑問，也可送到第三方進(jìn)行檢測分析。由現(xiàn)場拆卸下來的螺栓進(jìn)行初步分析判斷，我司所生產(chǎn)提供的雙頭螺柱，六角螺母，完好無損，符合GB/T3098緊固件系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我們需要的是正確的預(yù)緊力。預(yù)緊力過大是有害的，過小也是無益的。在極大多數(shù)情況下，按照規(guī)定要求選擇的預(yù)緊力。一組螺紋聯(lián)接緊固件，若預(yù)緊力有大有小，將會(huì)使這組螺栓受力各不相同，不能均勻地承受工作載荷，那么這一組聯(lián)接件個(gè)別連接件可能會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生失效的現(xiàn)象。此外保管問題也很重要，同批規(guī)格相同的螺栓、螺母，由于保管不當(dāng)，搬運(yùn)碰撞等原因，會(huì)造成K值變化，從而造成預(yù)緊力相差很大，很可能同批緊固件，用相同扭矩而造成擰不足或超擰現(xiàn)象，所以應(yīng)加強(qiáng)對高強(qiáng)度螺栓管理工作。ⅲ.螺母跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象及產(chǎn)生原因 高強(qiáng)度緊固件在連接中失效經(jīng)常會(huì)遇到，失效的原因各種各樣，有設(shè)計(jì)、材料、制造、熱處理、安裝等多方面原因，多種問題可以歸結(jié)為三大類：即設(shè)計(jì)、制造、使用。目前，高強(qiáng)度緊固件企業(yè)在材料選擇、加工制造、熱處理方面等幾個(gè)方面技術(shù)日臻完善，這類問題出現(xiàn)的概率大幅地減少。一般整機(jī)行業(yè)對緊固件方面不重視，對安裝扭矩、摩擦系數(shù)、扭矩系數(shù)及其分配比例知之甚少；這樣，往往會(huì)在高強(qiáng)度緊固件安裝使用中出現(xiàn)一些問題。例四．福建某風(fēng)場連接付跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象實(shí)例分析螺母跟轉(zhuǎn)的現(xiàn)象在高強(qiáng)度緊固件安裝時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)跟轉(zhuǎn)的問題，在擰緊螺母時(shí)，由于摩擦力增加，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生螺母與螺栓旋合阻滯，而產(chǎn)生六角螺栓頭部與平墊圈打滑現(xiàn)象；在安裝時(shí)一般稱作為“跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象”。在緊固件連接付安裝時(shí)，通常采用扭矩法進(jìn)行，扭矩法比較直觀，易于操作，但對于扭矩法安裝的基本概念必須理解。在彈性區(qū)內(nèi)，緊固扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系：扭轉(zhuǎn)摩擦與平面摩擦與扭矩系數(shù)的關(guān)系：安裝扭矩分為三個(gè)部分：螺栓與螺母間的扭轉(zhuǎn)摩擦，螺母與墊圈平面之間的平面摩擦，轉(zhuǎn)化緊固軸力的安裝扭矩。在安裝時(shí)，大部分安裝扭矩都在前兩個(gè)摩擦中損耗，直接轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的，只占緊固扭矩的10%左右。（見表十）有關(guān)高強(qiáng)度緊固件做了大量實(shí)驗(yàn)，三部分的扭矩分配大致在以下范圍內(nèi)，螺紋間的摩擦損耗安裝扭矩40%左右；平面之間摩擦損耗安裝扭矩50%左右，真正轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力的扭矩只占10%左右。K值是μs和μw的函數(shù)，由于螺栓、螺母加工精度，形狀誤差，是否有表面潤滑等影響，而造成K值的變動(dòng)范圍是比較大的。下面表一是螺紋摩擦系數(shù)，支承面摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)相互間的關(guān)系：其中螺紋摩擦系數(shù)支承面摩擦系數(shù)K扭矩系數(shù) 0.080.100.120.150.200.250.30KK0.080.1170.1300.1130.1630.1950.2280.2610.100.1270.1400.1530.1730.2060.2390.2710.120.1380.1510.1640.1840.2160.2490.2830.150.1540.1670.1800.1990.2320.2650.2970.200.1800.1930.2060.2260.2580.2910.3240.250.2060.2190.2320.2520.2840.3710.3500.300.2320.2450.2580.2780.3110.3430.376表十．摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)的關(guān)系跟轉(zhuǎn)的原理：我們公司連接付使用的安裝扭矩系數(shù)一般在0.13，可以從表中查到螺紋間的摩擦系數(shù)為0.08，螺栓與平墊之間的摩擦系數(shù)在0.10；如果螺栓與平墊件的摩擦系數(shù)為0.08，而螺紋間摩擦系數(shù)達(dá)到0.10的狀況下，即＞，那么在安裝時(shí)，螺紋間的摩擦力大于六角頭平面間的摩擦力，安裝時(shí)，六角螺母不會(huì)繼續(xù)克服螺旋升角的阻力而旋緊，達(dá)到擰緊的效果，這就是通常所說的“跟轉(zhuǎn)”。扭轉(zhuǎn)方向F預(yù)緊方向扭轉(zhuǎn)方向F預(yù)緊方向A正常安裝扭轉(zhuǎn)方向螺栓跟轉(zhuǎn)B跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象圖十一螺栓付安裝示意圖在福建某風(fēng)場，在螺栓連接付安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)有20%左右的螺母在旋合時(shí)發(fā)生跟轉(zhuǎn)，螺母擰緊時(shí)，六角螺栓頭部同一方向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生擰不禁的現(xiàn)象，如圖十一，給現(xiàn)場施工