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高强度螺栓典型失效实例及原因分析
装配时预紧扭矩过大使零件变形伸长、断裂1991年7月,缸盖螺栓在发动机厂装配过程中,有数件螺栓发生断裂。其中一件断裂螺栓如图9。该螺栓材料为ML40Cr,经化学分析,材料合格。金相检验结果为:硬度HB302,组织为回火索氏体和微量铁素体,此为正常的调质热处理组织。所以,缸盖螺栓应是合格的。从图9中知,缸盖螺栓断裂前发生了明显的塑性变形伸长,断口附近存在明显的缩颈。由以上检验结果可知,缸盖螺栓是在受到超过其材料屈服极限的外加轴向力的作用而发生屈服,并变形伸长后以致断裂。所以,此缸盖螺栓应是在受到过大的装配扭矩作用下发生断裂的。
(1) 装配扭矩与预紧力的关系
在装配缸盖螺栓时,是通过对螺栓施加扭矩的方法以使螺栓产生轴向预紧力的。预紧力的大小一般为材料屈服强度的70%以下。在预紧力的作用下,螺栓发生弹性伸长变形,缸盖压合部分材料发生压缩变形以产生弹性力,从而保证缸盖与缸体有良好的夹紧和贴合作用。对于这个过程来说,依据螺栓轴向力F与拧紧扭矩T之间的基本关系:
T=K·D·F ……(1)T——拧紧扭矩 (N·mm)F——轴向预紧力 (N)D——螺栓公称直径 (mm)K——扭矩系数在D、K值一定时,装配预紧力的大小主要取决于装配扭矩,如何控制好装配扭矩,即控制好装配预紧力,才能达到要求的预紧效果。
由于拧紧工具的精度问题,拧紧工具所显示的扭矩值并不一定是实际施加在螺栓上的扭矩大小。一般情况下,各种气动定扭扳手的扭控精度在10~40%之间;手动定扭扳手的扭控精度在10%左右;另外,由于受工作气源、电源、工艺条件及操作者的具体操作方式等都将对精度产生一定的影响;随着使用时间的延长,其精度也将发生不同程度的降低。所以,在施加扭矩时,由于各种误差的影响,有时会使实际施加在螺栓上的扭矩超过拧紧工具的示值扭矩,使实际预紧力增大,当超过零件材料的屈服极限时,零件便会发生永久塑性伸长变形。
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