螺母和螺栓为何会松动 - 亮剑搜集

A龙

螺母和螺栓为何会松动  亮剑搜集的，我手欠了，哈哈，他不发，我替他发了
作者：比尔·伊克赛斯博士
1 序言

图1 在大多数应用中，螺栓都被用于穿通螺孔中，依靠紧固件拧紧产生的预紧力起到保持结构完整的作用。如果紧固件自松
动，预紧力将减弱或消失，这将直接导致结构联结失效。

    每一个工程产品，不管其构成有多复杂，实际上都需要用到螺纹紧固件。与其他大部分联结方式相比，螺纹紧固件的重要优势在于能拆卸并重复使用。然而，这也是问题的根源所在，因为螺纹紧固件容易发生自松动现象。自从工业革命以来，螺纹自松动一直是一个没有很好解决的问题。尽管在最近的150 年间，针对螺纹松动的问题推出了大量的解决方案。
    直接由螺纹松动导致的事故在数个工业领域中都时有发生，而其中不乏一些灾难性的事故。

图2 螺栓的疲劳失效常常是螺纹自松动的结果。


图3Junker 发现横向运动是导致螺纹紧固件自松动的原因

2 早期的研究
   迄今为止，在螺纹松动这一课题上，最有影响力的研究是由Gerhard Junker 在1969 年发表的，他在报道中提出了一种理论来解释螺纹紧固件在振动载荷下为何松动的原因。Junker 发现横向振动远远超过轴震动是螺纹自松动的主要诱因。

3 为何螺纹紧固件会松动
当配套的螺纹和紧固件支撑表面之间发生相对运动时，拧紧的紧固件就会发生自松动现象。当作用于联结件上的横向力超过由预紧力产生的摩擦抵抗力，那么相对运动就会发生。在重复的横向运动中，这样的机制可以完全导致紧固件的松动。

4 紧固件的自松动检测
    Junker 开发了一种测试仪器来研究横向运动对拧紧的螺纹紧固件的影响。测试仪器可以使螺栓联结副内部产生横向位移。当横向振动作用于螺栓联结副时，联结副内的受载原件可以持续监控螺栓的受载情况。这是研究自松动过程的标准方式。整套测试装置及配套设备的示意图如图4 所示，仪器的某个部分示意图如图5 所示。



图4 所谓的预紧力衰减图表用于揭示抵抗紧固件自松动的特征。这样的图表绘制的是螺栓预紧力与测试循环次数之间的关系曲线。


图5 滚针轴承的作用时使测试仪器的滑动部分给予紧固件一个横向运动，并使联结件的表面具有最小的摩擦力。


图6 有些所谓的锁紧元件显示对阻止松动完全无效。比如在螺栓头下面放一个弹簧垫圈的结果是比单独用螺母松动更快。


图7 许多联结部件同时受到轴向力和剪切力


图8 预置扭矩螺母实际上只能当做防脱元件而不是锁紧螺母

5 预置扭矩式锁紧螺母
    具有预置扭矩的螺母常常被用于阻止螺栓装配的松动。预置扭矩式锁紧螺母种类繁多。当预置扭矩增加时，自松动的抗力也相应增加，同时螺母的螺纹上由摩擦力引起的扭应力也相应增加。
    改良后的Junker 检测仪器可以在加载横向力的同时加载轴向力和剪切力。测试仪器的示意图如图9 所示。


图9 改良后的Junker 测试仪器可以用于同时加载轴向力和横向运动情况。在合适的测试条件下，预置扭矩螺母能持续的自松动从而导致与螺栓分离。

6 松弛
    自松动是指在外部载荷作用时紧固件的旋转。非旋转松动指的是内外螺纹间未发生相对运动而预紧力消失的状态。当预紧力消失而紧固件为发生相对运动，那么这时可以用松弛来表述。
    内嵌是松弛的一种形式，由于对粗糙表面的塑性挤压，导致螺母表面、联结件表面和螺纹上发生局部塑性变形，从而引起内嵌现象的发生。甚至当载荷低于螺栓的屈服点或者联结副材料的表面压力上限时，还是会发生这种现象，事实上，这是实际接触面积小于表面面积的结果。
    在实际中，螺母和螺栓的松动往往是由松弛导致的预紧力减弱进而引起联结副松动的发生这一系列因素的综合影响所致。一旦联结副的运动被激发，紧固件作用的失效无非由以下两种因素所致：自松动或者疲劳。


图10 甚至明显的光滑表面的轮廓当放大时也未必光滑。当载荷作用于螺栓联结件时，这会导致较高的局部应力。在部分接触表面导致裂纹的产生并使螺栓预紧力减弱。一旦载荷作用到联结件时，无论拧紧还是旋出，表面都将产生崩塌。

作者简介：比尔·伊克赛斯博士就职于英国螺栓科技公司。该公司是全球领先的螺纹研究机构， 提供有关螺纹紧固方面的技术咨询， 培训和软件业务。
公司网址为：
www.boltscience.com。

zerowing

挺有意思的。
说一点。
关于那个松弛，讲得有些含混。从其表述看，不能说是真正的松弛，只能算作局部屈服或者蠕变。本质上说，只是因为应变量的改变而导致应力的消失。这种现象高分子材料中常见，高温状态的金属，部分中温的有色金属也常见。有攀爬、扩散、滑移等形式。
而应力松弛是另外的概念。其测定也比蠕变的形式要复杂的多。应力松弛，是在应变量不变的前提下应力逐渐消失。换句话说，这种应力消失的过程是一种隐性的，不可观测的状态。当你没有看到可观测的屈服变形时，你的预紧力就衰减消失了。记得8页曾经谈过，一个螺栓的松弛，会反复拧紧几次。拧一次，隔一天去拧，重复几次最终就断了。这种无征兆的破坏，是很可怕的。应力松弛的应变是可恢复的，换句话说，就是应力松弛改变的是材料的弹性。而我所知道的根本性的原因是材料内部位错和缺陷的移动和集中。比如下面两个图。

因此来说，要正确理解那个松弛。

苍狼大地

zerowing 发表于 2016-8-12 00:12
挺有意思的。
说一点。
关于那个松弛，讲得有些含混。从其表述看，不能说是真正的松弛，只能算作局部屈服或 ...

八爷和零侠高人。。。
说点我的理解，抛砖引玉，希望一起探讨。。。

1. 应力松弛比较重要的是螺栓和弹簧，特别是一些精密的应用。螺栓涉及到夹紧力的损失问题；弹簧涉及到力的恒定和位移的恒定，瑞士的钟表弹簧应该对这方面理解很深入。80年代论文说，SKF弹簧在工作十年以后载荷损失率为5~8%，国内同类弹簧10~15%甚至更高。还有以前听过的，欧洲的一些坯料放到户外或者海里面放置XX年自然时效，消除残余内应力，产品质量自然比坯料刚出炉还没有完全冷却就拿来加工的产品质量要好。

2. 应力松弛与蠕变的区别：
          ☆ 蠕变是一种高温松弛，由于高温状态下晶界强度低于晶内，处于不稳定的高能状态，位错在晶界上应力集中区域开始，然后向晶内扩展。
而应力松弛通常讲的是低温应力松弛，在低温时由于晶界强度远高于晶内，故而应力松弛不发生在晶界而发生在晶内（类似于穿晶断裂和沿晶断裂，哪里弱了去哪里）。应力松弛不是在所有晶粒内部均匀产生，而是首先发生在晶粒较弱的微区。微区内由于应变不均匀产生应力集中，当应力值大于材料弹性极限时，发生位错滑移（从微观层面理解屈服），通过微塑性变形材料得到强化。
          ☆ 蠕变是在恒定的载荷下，因部分弹性应变转变为塑性应变后导致的变形增加现象。而应力松弛指一定变形量下，工作过程中弹力或应力逐渐降低的现象。一个恒定载荷，一个恒定应变，两者形式上不同，但本质一样，即都是通过位错滑移使晶粒结构细化和均匀稳定化，完成由初始弹性变形向塑性残留永久变形的转变。

3. 应力松弛机理：过程通常可以分为两个阶段（见松弛曲线）：
          ☆ 第一阶段：斜率大，松弛速率较大。主要原因在于，此时以回复为主导，空位等点阵缺陷减少，可动的位错通过滑移实现位错重排，缠绕位错拉成直的接近平行的条形亚结构。所以松弛速率较大，应力松弛总量的很大一部分也在这个阶段发生。
          ☆ 第二阶段：斜率小，松弛速率小。主要原因在于，容易松弛的部分在第一阶段都已经整完了，走完了康庄大道，只能翻山越岭了。这一阶段以动态回复为主导，随着松弛时间延长，微塑性变形强化和析出强化逐渐达到平衡，在外部力量（载荷、热等）作用下条状亚结构进一步细化，获得更稳定的结构。这一阶段应力松弛量占应力松弛总量的比例较小。
          ☆ 应力松弛之所以会发生，是因为存在残余应力，残余应力中的宏观应力是应力松弛的重要来源，通过位错运动使材料产生微塑性变形，从而释放应力。这也就是八爷曾谈过，用日本、韩国和国内的板做成钣金件，放小黑屋里一个礼拜以后拿出来，很容易就看出来谁是谁了，本质就是内部残余应力。
          ☆ 应力松弛对组织结构非常敏感，组织结构由于材料的化学成分、晶粒组织、热处理工艺密切相关。
比如冷拔碳素钢丝形变不均匀，结构不稳定，应力集中区域多，总储能和宏观应力较大，松弛稳定性差。
淬火、回火弹簧钢丝比冷拔弹簧钢丝组织更稳定，内应力更小，具有更好的抗松弛性能。
形变热处理钢丝组织内部有大量位错亚结构，并弥散出许多微细碳化物，所以他的抗松弛性能最好。
          ☆ 为了降低残余应力的影响，防止工件在服役过程应力松弛引起功能不良，有很多去除应力的方法。其本质核心是减少可动位错的数目，增加位错运动的阻力。比如热处理强化使组织更均匀，去应力退火，合金强化（特别是易于形成稳定碳化物的元素）等，通过这样一些手段是材料内部位错状态和组织亚结构在短时间内达到相当稳定的状态，而不是在后期长时间释放，提高了松弛稳定性。

2266998

不错，这些东西应该有，年轻人要多看，多看就多学到了知识，

回火马氏体

感谢分享！

苍狼大地

给大家推荐boltscience.com/，里面有这个资料，还有其它的一些资料，有测试的视频，很不错的。不过是英文的，不过也不难。

leftwall

没吃够，请管理员继续

小行星

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xudingjia820

学习，谢谢分享！

苍狼大地

八爷曾经谈过弹簧的压并处理，对新弹簧有一定次数的压靠，质量低劣的弹簧根据变形量即可筛选出来。同时对有些变形要求严格的，用这个措施可 以控制后期‘松弛’。
根据八爷提示的这点去读书，了解主要原理为，施加超过材料弹性极限的负荷，弹簧料径边缘应力超过弹性极限，外层塑性变形。解除强压后，弹性变形的心部区域解除应力恢复原状。但回复过程受到外层塑性变形层的阻止，表面回复应力与载荷作用方向相反，叠加后使材料截面危险应力降低并内移，结果小于按弹性变形计算的工作应力。同时强压过程产生残余变形，存在加工硬化，弹性极限和承载能力提高。
还了解到目前国内主要是冷强压，而国外比如德国、日本较多采用热强压、磁强压、电强压。冷强压只能说比不强压稍好，而热强压可以完全消除应力松弛第一阶段的影响，从而保证松弛量较小，同时松弛速率较低。
但是我看我们的涡卷弹簧，400万次寿命要求，欧洲供应商的工艺里面没有包含相关内容，而国内供应商的工艺里面就包含了要预扭的要求。不知道是不是因为弹簧材料不同，欧洲材料内部残余应力小，国内大，所以要先预扭。弹簧、螺栓东西太深了。