3.2螺栓的疲劳断裂
3.2.1螺栓的疲劳断裂
反复作用于材料上的应力导致的材料失效被称为“螺栓的疲劳断裂”。表示载荷应力幅S与导致断裂的载荷循环次数N之间关系的图形称为“S-N”曲线。应力幅S越小,疲劳寿命N就越长;反之,施加的应力幅越大,疲劳寿命就越短。S和N之间的关系类似于双曲线,这种关系是几乎所有材料疲劳强度的一般趋势。
螺栓最易发生疲劳断裂区域主要为:1)与内螺纹啮合的尾部(第一扣前的牙底);2)螺纹不完整处;3)头下圆角位置。头下圆角半径、不完整螺纹形状和牙底半径必须满足国标要求,头下圆角半径和不完整螺纹的应力集中系数应该在2.5~3.5之间,这比与内螺纹啮合尾部的应力集中系数(≥4)要小一些。因此,通常螺栓的疲劳断裂发生在与内螺纹啮合的螺纹尾端。
3.2.2螺纹的疲劳极限
a)螺纹许用疲劳极限
螺纹的许用疲劳极限来源于VDI 2230-2003:第一部分,热处理后滚丝螺纹的疲劳极限图,这是行业内广泛使用的指导性资料,但这螺纹的疲劳极限只与螺栓的公称直径有关,而与螺栓的静强度或拧紧力无关,由此使之更容易掌握,但是螺栓的强度等级限制在8.8~12.9级。
b)若干对疲劳极限影响的因素
随着螺栓直径的增加,其疲劳极限下降。通常,有两个因素被认为对这一现象有所贡献,一个是称为“尺寸效应”,即随着螺栓尺寸的增加,螺栓产生微缺陷的概率也增加,因之降低其强度;另一个是当公称直径增大时,因为螺纹牙型在直径中的比例变小,所以应力集中系数也随之增加。
通常都认为细牙螺纹的应力集中系数比粗牙螺纹大,所以细牙螺纹在疲劳极限(应力)方面并不一定具有优势;然而,在疲劳极限载荷方面有利,因为那是螺纹横截面面积的乘积。螺母高度的增加会降低应力集中系数并提高疲劳极限,增大螺纹牙底的圆角半径会降低应力集中系数。
如果螺栓在热处理后滚丝,其螺纹的疲劳极限是滚丝后热处理螺栓的1.4倍或更高,这被称为“滚牙效应”。
在内外螺纹啮合长度过短的情况下,如果外螺纹强于内螺纹,在内螺纹的根部将发生剪切破坏;反之,剪切破坏将发生在外螺纹的根部。从理论上讲,假设啮合长度相同,具有基本牙型的粗牙和细牙螺纹在内螺纹的剪切失效面方面没有任何差异。
3.2.3其他
a)螺栓头下圆角半径
为了防止螺栓在头下断裂,必须规定螺栓的头下圆角半径。M5~M30范围的螺栓最小头下圆角半径在(0.033~0.050) d(d:螺纹公称直径)之间。从螺栓强度的观点出发,大的头下圆角半径更合适。然而,大的头下圆角半径需要大的螺栓孔,导致支承面的压力增加,这削弱螺栓疲劳强度极限。对于高强度螺栓,应当要求螺栓头下圆角半径为公称直径的5%。
b)支承面面积
螺栓或螺母与垫片或被联接件接触的支承面面积被称为“支承面面积”。对于具有标准尺寸的六角头支承面和法兰凸缘的螺栓,其支承面面积与应力面积的比值Aw/As的计算结果大于1;而当螺栓具有小六角头支承面或六角内接圆支承面时,此比值通常小于1)也就是说,支承面面积更小一些。因为对于小六角头螺栓来说,支承面压力较高,所以特别对于高强度螺栓,应谨防支承面发生塑性压塌的可能性。
4 结束语
总之,摩托车紧固件失效断裂的原因可能是单一的,也可能是多因素共同作用的结果。但是每一次失效事件却有一个导致失效的主要原因,由此提出改进或防止失效的对策与措施,这是十分必要的。