1、螺头底部的裂纹
疲劳裂纹通常在螺纹底部开始萌生,可是也常常在螺头底部开始。在螺头底部开始萌生的裂纹通常产生的原因是螺头过渡圆弧的直径设计不当造成的(不当的过渡圆弧直径引来的应力集中),或者是螺栓被安装在了一个倾斜的加持物上。一个很小的螺栓头部和加持物(也可以理解为螺母端面)的夹角,譬如:2度,会对疲劳强度有着难以估计的负面影响。这种现象在过去经常发生在被加持物为焊接件上(焊接件在焊接后通常会发生应力释放,结构形状会发生变化)。
2、应力的分布
落在螺母上的应力分布是不均衡的,大量载荷其实是由头几扣来承载的。所以,大量的螺栓副疲劳都是发生在螺母的头一、二扣的。所以我们可以看到,使得应力平均分布在螺栓副结合的那几扣的改进,都会提高疲劳强度的。
3、钢材冶金缺陷
有些螺栓是在冷镦或冷拔后不再进行切削加工,于是原材料的表面缺陷也就一直保留在成品零件的表面上。
螺栓表面的严重脱碳层是其上的一个薄弱区域,在冷镦后的滚丝过程中,由于钢材表面的变形量大,会把脱碳层大部分挤压到螺纹的顶部区域中。这种脱碳层的强度、硬度均很低,故极易发生磨损和脱扣(丝扣被剪坏)失效,并且极易成为疲劳裂纹源,造成早期疲劳失效。
4、改善螺栓副螺纹扣应力分布
对于改善螺栓副螺纹扣之间的应力分布,以来提高疲劳寿命;调查表明,也可以通过改变螺母的形貌来实现。在螺母与加持物接触的端面上,制造一个凹槽,可以提高25%的疲劳寿命。这种改进尤其适合于大尺寸螺栓。当然,还有其它方式来使得螺栓螺母结合的应力分布得以更加平均,譬如:将螺母的材质改为其它材质的,使得其弹性模量和螺栓的不同;再譬如:将螺栓和螺母的螺纹制作为不同螺距的;再或者,使用尖型的螺纹。
5、螺栓紧固到设计预紧力
在众多的案例中,使得螺栓副疲劳寿命提高的一个最为有效的手段就是:将螺栓紧固到设计预紧力。通常情况下,一个紧固到位的螺栓仅仅承载5%(甚至更少)的动载荷。因此,一个被紧固到位的螺栓对于疲劳载荷的抵抗力是很强的。这是因为交变载荷作用在螺栓上是很小的,所以在螺栓内部产生的交变应力也是很小的,通常远远低于螺栓可以承受的极限。当发生疲劳失效的时候,其中的原因十有八九都是因为螺栓预紧力没有达到设计值,进而将螺栓暴露于弯矩应力之下,进而早早导致失效。
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