預緊力在螺栓緊固件疲勞斷裂中扮演的角色

緊固件在工程結構中扮演了非常重要的角色，如航空航天、基礎設施、民用、汽車以及其它工業領域。緊固件失效可能導致災難性的後果和重大的財務損失。最常見的緊固件失效模式之一是疲勞開裂。不充分的設計考慮、材料問題、不足的預緊力、鬆動和過多的負載都能導致緊固件疲勞。

類似於其他金屬零件，緊固件失效包括過載、腐蝕相關的開裂、脆化、蠕變和疲勞。由於外部負載，緊固件過載可能發生在安裝或使用過程中。

緊固件過載故障的調查應包括材料性能的評價，主要目的是確定導致緊固件破壞的原因，如緊固件的強度以及施加在緊固件上的載荷。

在某些金屬中常見的應力腐蝕開裂或氫脆，當緊固件在服役過程中承受靜態拉伸時，對緊固件來說也是重要的失效模式。

鑑於緊固件的預期應力，材料和環境必須仔細考慮，以適當減輕應力腐蝕開裂或氫脆。

在電鍍的過程中，氫很可能擴散進入緊固件中，從而造成氫脆。為了減少易感材料的氫脆，緊固件必須進行除氫處理。

疲勞是金屬結構中最常見的斷裂形式，佔斷裂的80%。緊固件也不例外，疲勞也是緊固件最常見的斷裂原因。

當循環載荷超過材料的疲勞強度時，當加載足夠的周期，疲勞裂紋就會在緊固件上萌生並擴展。緊固件材料、幾何、應力振幅、平均應力和裝配參數都會影響疲勞性能。

緊固件裝配過程是最重要的，但在分析其斷裂原因時經常被忽視，它也是緊固件疲勞斷裂的主要根源。

斷裂的螺栓緊固件

螺栓斷口宏觀像

螺栓斷口體視鏡圖像

斷口分為A和B兩個區域，A區和B區

A區高倍形貌：裂紋萌生區形貌

B區高倍形貌：瞬時斷裂區形貌

螺栓預緊力-扭矩圖：作為屈服強度百分

據介紹，文中所用的不鏽鋼螺栓的動摩擦係數為0.53，螺栓的預緊力為屈服強度的25%，遠低於標準規定的50%，更遠遠低於推薦預緊力為屈服強度的75%。文中螺栓的疲勞斷裂原因是預緊力不足。因此，提高預緊力有利於降低螺栓的疲勞敏感性和發生疲勞斷裂的概率。