引言

在航空航天應用中每年因緊固件的失效造成損失達數(shù)十億美元，有些甚至造成傷害和死亡。據(jù)統(tǒng)計已有60多起飛機事故歸因于緊固件失效。而在航空航天領域，螺紋緊固件應用數(shù)量越來越多，其作用也越來越重要。由于螺紋緊固件失效的常見性和潛在的嚴重性，因此分析和研究緊固失效的模式及影響因素，采取必要的措施以預防緊固失效的發(fā)生，就顯得尤為重要。

1.螺紋緊固件的基本類型

航空航天螺紋緊固的基本類型包括螺栓連接、螺釘連接、雙頭螺柱連接，如圖 1 所示。其中：

1）螺栓連接用于連接兩個或多個較薄的零件，在被連接件上開孔并穿過螺栓，依靠螺栓和螺母組成螺紋副進行緊固，結構簡單，裝拆方便，應用廣泛。

2）螺釘連接用于兩個被連接件中一個較厚，但不需要經(jīng)常拆卸的場合。螺釘連接結構簡單、緊湊，只需將螺釘擰入被連接件的螺紋孔中，不需要用螺母。

3）雙頭螺柱連接用于被連接件之一厚度較厚，不宜用螺栓連接，又需經(jīng)常拆卸的場合。在厚零件上加工出螺紋孔，薄零件上加工光孔，將螺柱擰入螺紋孔中，用螺母壓緊薄零件實現(xiàn)連接。在拆卸時，只需旋下螺母而不必拆下雙頭螺柱，可避免被連接件上的螺紋孔損壞。

2.螺紋緊固件的受力分析及常見斷裂位置

螺紋緊固件的受力分析主要在于螺紋結構的受力分析，螺栓、螺釘、螺柱的螺紋結構相似，受力情況分析也相似，在這些螺紋緊固件中應用最多、承載最大的是螺栓連接結構，因此本文主要分析螺栓連接結構的受力情況。螺栓在使用中受力狀態(tài)復雜，主要受拉應力、扭轉應力、剪應力（相對較少），特殊情況下還會受振動交變應力作用。因此，螺栓通常主要承受拉伸、扭轉以及它們之間的復合應力作用，而螺母中最主要的應力是螺紋的剪應力（如圖 2所示）。因此，螺栓通常因承受拉伸載荷在螺紋根部失效，螺母通常因受螺紋大徑的剪切失效。

如果螺栓和螺母都是非彈性的，并且兩者的螺紋配合能夠絕對準確，則載荷會在所有承載螺紋上均勻分配。然而，由于緊固件本身的精度要求及制造公差影響，螺紋加工不可能做到絕對準確，并且從材料特性上看，任何材料也都是有彈性的。因此，所有的螺紋緊固件的載荷在螺紋上的分配都是不均勻的，加載過程只有前面幾扣的螺紋是嚙合的。

當連接受載時，螺栓受拉伸，外螺紋的螺距增大；而螺母受壓縮，內(nèi)螺紋的螺距減小。螺紋螺距的變化差以旋合的第一圈處為最大，以后各圈遞減。螺栓承受的拉伸載荷使其伸長，這就使得靠近螺母承力一側的螺紋分擔更大的載荷，而其余承力螺紋分擔的載荷則依次減小。螺紋緊固件各螺紋之間的載荷分布如圖 3 所示。

對于主要受軸向載荷并承受拉應力的螺栓斷裂位置進行的大量統(tǒng)計分析表明，螺栓常見的斷裂位置分別在以下三處，其發(fā)生斷裂的統(tǒng)計頻率 如圖 4 所示：

1）與螺母配合部分的第一螺牙的根部；

2）螺栓頭與螺桿的過渡區(qū)；

3）螺紋與光桿部分的過渡區(qū)。

由于螺栓與螺母配合的第一螺牙承載力大，約占軸向拉應力的 31%（見圖 3），螺栓此處應力峰值最大，如圖 4 中應力分布曲線所示，故此處發(fā)生斷裂的頻率最高。從圖 4 的應力分布曲線可以看出在螺栓頭部與桿部過渡區(qū)和螺紋與光桿的過渡區(qū)均存在應力集中，這就造成對應位置存在斷裂的風險。通?？梢酝ㄟ^鐓制螺紋頭部、滾壓螺紋、滾壓頭部與桿的圓角、螺紋與光桿處圓角過渡等使這些部位形成連續(xù)的金屬纖維流線，從而提高其疲勞強度。

3. 螺紋緊固件失效模式及預防措施

3.1? 疲勞斷裂 

疲勞斷裂是指螺紋緊固件在周期性變化的 交變應力持續(xù)作用下發(fā)生的斷裂。螺紋緊固件疲 勞斷裂包括三個階段：第一階段，螺紋根部、頭 - 桿連接處半徑或材料缺陷處初始裂紋萌生期；第二階段，循環(huán)加載疲勞裂紋緩慢增長期；第三階段，疲勞裂紋超過臨界值，螺栓橫截面突然斷裂。據(jù)統(tǒng)計，緊固件 80% 的失效案例是由于疲勞失效引起的。螺紋緊固件的材料、結構、應力幅度、平均應力、裝配參數(shù)都會影響其疲勞性能。

導致緊固件疲勞斷裂的影響因素：

1）螺栓初始扭矩值過低。大多數(shù)材料具有疲勞極限，如果應力低于疲勞耐久極限，即使承受很多循環(huán)次數(shù)的工作載荷也不會發(fā)生失效。如果工作應力低于預緊力，螺栓承受載荷最小，幾乎不產(chǎn)生疲勞損傷 ，如圖 5 所示。但是，如果預緊力不足，則螺栓可能在很低的循環(huán)周期內(nèi)失效。

2）應力集中的影響。螺紋緊固件應力集中的部位包括：與螺母配合的第一螺牙的根部、頭-桿連接處圓角、螺紋與桿過渡區(qū)（如圖 4 所示），同時螺栓螺紋收尾處通常為非完整螺紋，也會造成應力集中。這些部位周期性承受交變載荷容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

3）表面完整性的影響。表面完整性破壞因素包括表面粗糙度、表面防護層的致密性、完整性及外界因素造成的機械損傷等。（如圖6 所示）表面完整性不符合要求或在使用中遭到破壞均會造成緊固件的力學性能、物理性能與化學性能下降，從而誘發(fā)疲勞裂紋在這些部位萌生。

針對上述影響因素的特點，預防緊固件疲勞斷裂的措施：

1）根據(jù)螺栓的屈服強度和直徑確定并驗證扭矩值。

2）減小應力集中程度。對于圓角過渡處（頭―桿連接處圓角、螺紋與桿過渡區(qū)圓角、螺紋牙底圓角），可加大圓角尺寸；螺母與螺栓配合時，配合面離螺栓螺紋收尾至少2 個螺距，可顯著提高螺栓使用循環(huán)次數(shù)，如圖 7 所示。

3）提高表面完整性。加工螺紋時，滾壓螺紋而非車削螺紋，滾壓螺紋會在緊固件表面產(chǎn)生 一定深度的殘余壓應力層，同時還會改善表面粗糙度，這兩方面都有利于提高疲勞性能。

3.2 ? 過載失效

螺紋緊固件的過載失效是指外力超過其承載極限而發(fā)生的失效，主要包括韌性過載斷裂、脆性過載斷裂和“脫扣”等。螺紋緊固件的受力主要有裝配預緊力和工作載荷，承受彎曲和剪切載荷的情況較少，滿足設計要求的預緊力可保證螺紋緊固件在使用中承受較小的載荷，避免其承受彎曲、剪切載荷，并可有效降低疲勞載荷。對于高強度螺紋緊固件，通常預緊力都比較大，可達到螺栓理論保證載荷的70%以上，因此螺紋緊固件的過載失效通常在裝配階段就會發(fā)生，少部分在服役過程中過載斷裂也往往是由于其他結構的損壞而導致的。

引起過載失效的原因主要有：

1）設計選用的螺紋尺寸不配或旋合長度不足造成螺紋脫扣。

2）材料強度不足、內(nèi)部缺陷或裂紋等原因造成螺栓承載力不足而發(fā)生斷裂。

3）裝配預緊力超過螺栓的正常承載能力而斷裂。螺栓典型的拉伸過載失效會在斷裂前拉伸并“縮頸”，如圖 8 所示。

針對上述影響因素的特點，預防緊固件過載失效的措施：

1）設計選用螺栓、螺母應經(jīng)過準確的強度校核。

2）選擇與工作載荷匹配的強度和韌性的材料。

3）選擇合適的裝配工藝，有效控制裝配預緊力。裝配預緊力通常通過在螺栓、螺釘或螺母上施加扭矩獲得。當擰緊螺栓到屈服點至斷裂的過程中，扭矩波動較小，難以通過設置扭矩閥值來控制裝配。因此，當所需的預緊力接近或達到螺栓屈服點時，采用扭矩控制法裝配是不合理的，宜采用扭矩加角度控制的裝配方法。

3.3? 氫脆

氫脆是由于氫滲入緊固件金屬內(nèi)部并向應力集中的部位擴散聚集，當氫原子聚集達到一定量級后形成氫分子，并產(chǎn)生巨大的壓力。這個壓力與零件內(nèi)部的殘余應力、零件承受的外加應力組成一個合力，當這合力超過材料的屈服強度，就會導致斷裂發(fā)生。氫脆是螺紋緊固件重要的失效形式之一。由于氫脆多為脆性斷裂，緊固件失效前沒有任何征兆，無法預先判知。加之對于緊固件而言，氫脆多為批次性問題，而緊固件一般都為大批量生產(chǎn)，因此危害極大。

影響氫脆發(fā)生的因素主要為以下幾點：

1）敏感材料：高強度鋼具有極高的氫脆敏感性，任何強度等級大于等于 8 級的緊固件都對氫脆及其敏感。鈦合金材料相的組成對鈦合金氫脆有顯著影響，對于 α 型鈦合金，低含量的氫就可使沖擊韌性下降；而 β 型鈦合金或兩相鈦合金的氫脆敏感性就差很多，這與氫在 α 型鈦合金中溶解度低有關 。

 2）應力高于臨界值：當緊固件的應力載荷超過材料極限強度的 75% 時，氫易于在應力梯度驅動下，向應力區(qū)聚集，應力越高，越易形核

并擴展，當該工作應力達到臨界應力時產(chǎn)生裂紋。因此應力越大，誘發(fā)氫脆可能性越大，并且導致發(fā)生氫脆的孕育期越短。

3）氫原子：熱處理、電鍍、酸洗等工藝過程產(chǎn)生的氫滲入金屬內(nèi)部。緊固件在熱處理過程中，氫在金屬材料中的溶解度隨著溫度而變化，

當溫度降低或組織轉變，氫的溶解度由大變小時，氫原子便從固溶體中析出，而由于凝固或冷卻速率較快，氫原子跑不出去，就殘留在金屬材料基體內(nèi)。緊固件在電鍍、酸洗等工藝過程中，由于溶液和金屬材料的陽極反應產(chǎn)生大量的氫離子，氫離子形成氫原子并滲入金屬內(nèi)部。氫原子在各類金屬中擴散程度不同。氫在鎘金屬中最難擴散，

在鍍鎘工藝中，電鍍產(chǎn)生的氫滲入鍍鎘層及鍍層下的緊固件表層便很難向外擴散，經(jīng)過一段時間后，氫原子便滲入緊固件內(nèi)部。

針對上述影響因素的特點，預防緊固件氫脆導致失效的措施：

1）選材不宜取高強度鋼，并盡可能避免冷壓后酸洗處理，要在設計強度許可的范圍內(nèi)，盡可能降低材料的抗拉強度是防止氫脆敏感性高的有效辦法。

2）增加去氫工藝，在熱處理、電鍍、酸洗等工藝后盡快安排去氫工藝，合理安排烘烤溫度和時間，消除氫脆隱患。

3）采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層，慎重選用鍍鎘工藝；或者將表面鍍層工藝改為非電解鍍層，如用達克羅涂覆層代替鍍鋅。

3.4? 應力腐蝕開裂

螺紋緊固件受拉伸應力作用并在特定介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)與應力的共同作用所導致的脆性斷裂為應力腐蝕開裂。由于應力腐蝕開裂是典型的滯后破壞形式，因此對于結構的安全危害很大。

影響緊固件發(fā)生應力腐蝕開裂因素包括：

1）應力腐蝕敏感材料：純金屬不會發(fā)生應力腐蝕破壞，但幾乎所有的合金，添加非常少的合金元素在特定的腐蝕環(huán)境中，都會引起應力腐蝕開裂。

2）特定腐蝕環(huán)境：金屬材料只有在特定的活性腐蝕介質(zhì)中才發(fā)生應力腐蝕開裂，即對于一定的金屬材料，需要有一定特效作用的離子、分子或絡合物才會導致構件的應力腐蝕開裂，如黃銅的氨脆、低碳鋼的硝脆、奧氏體不銹鋼的氯脆等。常見腐蝕介質(zhì)包括電解液、酸洗液、清洗液、切削液等 。

3）拉伸應力：能引起金屬產(chǎn)生應力腐蝕的最小應力稱為應力腐蝕開裂的臨界應力，臨界應力大小受材料、環(huán)境等因素影響。

針對上述影響因素的特點，預防緊固件應力腐蝕開裂的措施：

1）合理選材，提高冶煉、熱處理工藝水平等措施，可降低材料的應力腐蝕敏感性。

2）控制環(huán)境因素，針對具體合金，可控制其敏感介質(zhì)的數(shù)量，同時，控制環(huán)境溫度、升高pH 值、降低氧含量、加入合適的緩蝕劑、使用

保護涂層、增加電化學防護、避免腐蝕液殘留等都是有效的方法。

3）降低和消除應力，如改進設計結構，避免或減小局部應力集中；通過加工、制造、裝配控制盡量避免過大殘余拉應力。

結束語

螺紋緊固件在航空航天領域起著至關重要的作用，其失效可能導致重大后果。疲勞斷裂、過載失效、氫脆、應力腐蝕開裂是螺紋緊固件失效的常見模式，通過分析失效模式產(chǎn)生的原因并有針對性的提出預防措施，從螺紋緊固件設計、制造、安裝等各方面提出改進措施，對預防因螺紋緊固件失效而產(chǎn)生重大事故具有重要意義。

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