机械零件在设计联接中有很多的方法。这些联接技术包括焊接、铆钉和紧固联接。目前,人们使用最普遍的联接技术是螺栓与螺母联接。对于螺栓和螺母联接,有一些基本设计准则和技术要求。首先,螺纹紧固件联接的特点是可以从组合件上随意拆卸,这样比永久紧固的方法(如焊接或铆钉)在使用上更便利,而且在零件组装时可以根据装配的需要随时进行调整。螺栓副联接带来便利的同时, 由于它们的组成相对比较复杂,联接中有很多技术问题需要注意和解决。
紧固件损坏的形式有多种多样,常见的损坏形式有螺栓、螺母松动、螺栓断裂、螺纹损坏等。 当承载面在螺钉和接合之间不是平整联接时,紧固件和机械零件接触面积小,面与面之间的摩擦力减小,紧固件就很容易在受到比较强烈的震动下被旋松。这样震动下, 一旦预紧力下降,紧固件就极易失效。在使用中,如何防止组合件本身的损坏或失效是当前迫切需要解决的问题。通常,在螺栓副组合件的损坏中, 紧固件的蠕变失效损坏是最常见的和引人注目的,因为随着螺栓损坏或失效时,会引起相关的机械装置失灵、失效,严重还会酿成事故。
紧固件的蠕变是其金属零件在应力和高温的长期作用下,产生永久变形的失效现象。晶粒沿晶界滑动产生形变是蠕变的主要机理。当形变温度升高到0.35~0.7Tm(Tm是熔点的绝对温度)时,晶界附近的薄层区域内发生恢复而软化,形变得以进行。变形后又产生畸变,于是需要再恢复和再软化,以保持形变在这些区域中继续进行,这就是所谓的晶界滑动。由于恢复需要一定温度和时间,因而晶界滑动要在高于某一定温度的条件下才能进行。金属拉伸蠕变曲线分为三个阶段:一是蠕变速率由快逐渐变缓,它与晶体缺陷的重新分布有关;二是表明硬化与恢复这两种机理处于平衡状态,蠕变速率恒定。这一阶段在蠕变的全过程中占据较大的比例;三是表现为蠕变速率加快,此时金属的形变硬化已不足以阻止金属的变形,而且有效截面的减小,促使蠕变速率加快,最后导致断裂。并非任何材料的蠕变曲线均出现上述三个阶段,因蠕变过程使预紧零件的尺寸产生变化而导致失效的现象称为热松弛。如用于紧固件压力容器法兰盘的螺栓,在温度和应力的长期作用下,因蠕变而伸长,导致预紧力减小,因此可能造成压力容器的泄漏。
蠕变的最主要特征是永久变形的速度很缓慢。可以根据零件的具体工况来分析,是否存在产生蠕变的条件(温度、应力和时间)。没有适当的温度和足够的时间,不会发生蠕变或蠕变断裂。在蠕变断口的最终断裂区上,撕裂岭不如常温拉伸断口上的清晰,在扫描电镜下观察,蠕变断口附近的晶粒形状往往不出现拉长的情况,而在高倍下,有时能见到蠕变空洞。
热松弛与塑性变形,从宏观上均有残余变形容易混淆。塑性断裂与持久断裂(或蠕变断裂)容易混淆,因为从宏观上看,断裂前均有永久变形,断口附近均有缩颈。其区别可从下列几方面考虑:一是在工况上的差别。众所周知,塑性变形和塑性断裂是在拉应力作用下发生的,过程进行较快,温度较低。热松弛和持久断裂是温度和时间两个因素起重要作用的失效过程,较高的工作温度和较长的服役时间,是这种失效模式的必要条件。对于工况的了解除了查阅文字资料外,直接查看残骸上有无高温的遗痕,如氧化色等。分析工况时要很慎重,例如某高温压力容器有很长时间处于较低的压力下工作,突然压力升高,使连接螺栓发生断裂,对此只有在具体地了解有关压力、温度及在不同工况下的服役时间,才能具体判别是否发球蠕变失效;二是断口形貌的差别。塑性断口上韧窝非常清晰,微孔聚合的部位比较尖锐,在扫描电镜下观察这些地方呈现白亮线条。蠕变断口上,微孔聚合的地方比较钝,在扫描电镜下观察,这些地方没有明显的白亮线。蠕变断口上,有可能看到氧化色,有时还能见到蠕变孔洞;三是断口附近的金相组织,蠕变多为沿晶断裂,而塑性断裂多为穿晶型断裂。经蠕变的样品中,有可能看到蠕变孔洞,此外,碳钢长时间在高温下停留,碳化物会发生一定程度的石磨化。提高蠕变抗力的措施:在设计方面,根据产品的特点,正确地选择材料和确定零件尺寸至关重要。预防由于设计的应力水平偏高而导致早期失效;避免不符合技术规范的零件装配产品,这对失效周期较长的产品,尤为重要。当然,具体的措施应在产品服役中的失效分析基础上形成;超负荷使用也是产品蠕变失效的常见原因,因此严格控制使用条件,是提高产品寿命和可靠性的最为重要的措施。加强对正在服役的产品,以及关键零件的质量状况进行监控,是保证产品可靠性的有效措施。
随着我国社会主义市场经济的建立,促使我国紧固件得到了迅猛发展,尤其是高强度紧固件的技术发展,越来越被看好。高强度紧固件不同于普通标准件,它的开发和生产应朝着高强度、高性能、高精度、高附加值和非标异型件方向发展。为此,必须在选材、材料改制、冷热成形、热处理、表面处理和检测诸方面提高科技含量和装备水平。我国在十二五规划中,把高强度紧固件列为当前国家重点鼓励发展的产品,并把普通标准紧固件列为限制发展产品。紧固件厂家把产品定位在高强度紧固件上,并重点发展,既符合紧固件市场的需求,也可得到国家政策的鼓励和支持。热处理技术对高强度紧固件,尤其是它的内在质量有着至关重要的影响。因此,要想生产出优质的高强度紧固件,必须要有先进的热处理技术和装备。当下我们的生活充满着紧固件的身影,螺丝螺栓更是随处可见,但是往往就是因为这些小小螺丝质量问题极易造成重大事故,会给人们紧密相关的生活造成不必要的损失。安全第一,这是紧固件行业时刻不忘的“警钟”!