高學(xué)敏 ，閆 路，何婭梅，馮德榮 ，馮韶偉

（1. 河南航天精工制造有限公司，信陽 464000；2.河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，信陽 464000；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；4.航空工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都 610000）

一代材料決定一代裝備，武器裝備性能的提高越來越依賴于先進(jìn)材料和先進(jìn)工藝。其中鈦合金材料由于其重量輕、韌性好、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于航空航天領(lǐng)域。同時(shí)航空航天型號上的機(jī)械連接也大量采用鈦合金緊固件，使用量少則上萬件，多則百萬件，以“數(shù)以萬計(jì)、類以群分、連結(jié)構(gòu)、接系統(tǒng)”，形成緊固連接系統(tǒng)，鑄就型號的鋼筋鐵骨，保障了裝備型號的質(zhì)量可靠性。但在緊固件服役過程中，損傷和失效并非都是由單一載荷引起，經(jīng)常是由多重載荷共同作用引起，而拉伸–剪切復(fù)合載荷就是其受力形式之一，隨著新材料的廣泛使用，復(fù)合載荷的測試變得越來越重要[1–3]。

1729年，根據(jù)杠桿原理制成的第一臺材料力學(xué)測試試驗(yàn)機(jī)在法國問世，而我國的力學(xué)性能測試起步比較晚，1930年北洋大學(xué)教授鄧曰研制出我國第一臺材料力學(xué)性能測試裝置。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的試驗(yàn)機(jī)技術(shù)與國外的差距不斷縮小，力學(xué)性能測試?yán)碚摲矫嬉策M(jìn)行了大量的研究。其中拉伸性能測試作為最早和最典型的測試手段[4–7]被廣泛應(yīng)用，葉麗燕等[8]研究了拉伸速率對不銹鋼材料拉伸性能的影響，分析了馬氏體轉(zhuǎn)變與拉伸速率的關(guān)系；孫瑞雪等[9]開展了不同熱處理狀態(tài)下應(yīng)變速率對鋁合金的行為研究，得出5083鋁合金在低應(yīng)變速率條件下以剪切斷裂為主，高應(yīng)變速率條件下以穿晶斷裂為主。另外剪切試驗(yàn)也是作為材料評估的一種重要手段，西北工業(yè)大學(xué)吳建軍等[10]開展了金屬材料剪切試驗(yàn)方法研究，概述了各種剪切試驗(yàn)的試驗(yàn)方法、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀；長安大學(xué)杜強(qiáng)等[11]開展了復(fù)合板材雙剪切試驗(yàn)方法與裝置研究，研究了復(fù)合板材雙剪試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了雙剪試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了雙剪試驗(yàn)，分析了破壞形態(tài)和力學(xué)性能。

可見，國內(nèi)學(xué)者在對材料在受單一載荷下（拉伸、剪切等）的分析與研究做了大量的工作，并建立了理論公式與分析模型，但對材料在受拉伸–剪切復(fù)合載荷下的試驗(yàn)方法和失效模式研究較少。本文將采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對國家某重點(diǎn)型號用螺栓在受拉伸–剪切復(fù)合載荷下的試驗(yàn)方法和失效特性進(jìn)行研究，并建立剪切過程失效的分析模型，其研究成果不僅保障國家型號飛機(jī)用緊固件的質(zhì)量可靠性，也具有重要學(xué)術(shù)理論價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)理論模型

1.1 拉伸理論分析

拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能試驗(yàn)最基本的試驗(yàn)方法，典型塑性金屬材料拉伸過程可以分為彈性、屈服、強(qiáng)化、局部變形4個(gè)階段，通過測試材料的應(yīng)力–應(yīng)變曲線（圖1），獲得材料基本的力學(xué)性能指標(biāo)，并作為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選材和強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)。

材料的力學(xué)性能指標(biāo)與試樣標(biāo)距L0和原始截面積A有關(guān)，為了消除試樣尺寸對材料力學(xué)性能的影響，引入了應(yīng)力σ和應(yīng)變ε兩個(gè)參數(shù)，便可以得到與標(biāo)距L0和原始截面積A無關(guān)的應(yīng)力σ、應(yīng)變ε關(guān)系及曲線圖。應(yīng)力σ和應(yīng)變ε可分別由式（1）、式（2）求得。

其中，F(xiàn)為作用在試樣上的拉伸力；ΔL為試樣標(biāo)距的伸長量；E為試樣材料的彈性模量，是材料的固有特性，即為σ–ε曲線（圖1）中彈性階段直線的斜率。

圖1 典型塑性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.1 Stress–strain curves of typical plastic materials

1.2 剪切理論分析

剪切試驗(yàn)，即在靜壓縮或拉伸力作用下，通過剪切試驗(yàn)裝置使試件垂直于其縱軸的一個(gè)或兩個(gè)橫截面受剪切直至斷裂，以測定其抗剪性能的試驗(yàn)。常用的試驗(yàn)方法有雙剪、單剪等，如圖2和3所示。

圖2 單剪試驗(yàn)受力模型Fig.2 Stress model of single shear test

材料的剪切性能與試樣的剪切面積A有關(guān)，在單剪試驗(yàn)中，由受力平衡可知，剪切面m–m上的剪切力FQ=F；在雙剪試驗(yàn)中，剪切面m–m上的剪切力FQ=F/2。則剪切應(yīng)力τ為：

1.3 拉伸–剪切理論分析

拉伸–剪切復(fù)合載荷通過垂直加載使力施加于試樣之上。本課題是將試樣兩端固定夾持，試樣兩端相當(dāng)于各有一個(gè)限制5個(gè)自由度的約束，在X方向自由度不受限，可以產(chǎn)生拉伸和壓縮力，受力如圖4所示。

如圖4（b），在試樣中心附近有兩組對稱的均布力，在小變形情況下，均布力簡化為在m–m剪切面上的一對對稱力和一個(gè)力偶。

圖3 雙剪試驗(yàn)受力模型Fig.3 Stress model of double shear test

圖4 拉剪復(fù)合載荷試驗(yàn)受力模型Fig.4 Stress model of double shear test

2 試驗(yàn)方法與材料

2.1 試驗(yàn)方法

拉伸–剪切試驗(yàn)裝置如圖5所示，試驗(yàn)裝置由兩個(gè)緊固加載單元組成，用于配合使用以對鈦合金螺栓試樣進(jìn)行拉剪復(fù)合試驗(yàn)，各緊固加載單元分別包括一個(gè)轉(zhuǎn)接桿、一個(gè)緊固夾塊和在前后方向上間隔布置的兩個(gè)連接側(cè)板，緊固夾塊上設(shè)有試樣穿孔，用于緊固穿裝鈦合金螺栓試樣，所述緊固夾塊與兩個(gè)連接側(cè)板緊固裝配，轉(zhuǎn)接桿與兩連接側(cè)板連接，以使得轉(zhuǎn)接桿的加載施力方向指向鈦合金螺栓試樣的軸心；各緊固加載單元中，緊固夾塊與相應(yīng)的兩連接側(cè)板可拆緊固裝配。在各緊固加載單元中，緊固夾塊和相應(yīng)的兩連接側(cè)板可拆緊固裝配，這樣可以不同規(guī)格類型的螺栓選取不同的緊固夾塊，只要更換夾塊即可，不需要更換整個(gè)緊固加載單元，可以有效降低成本。

圖5 拉伸–剪切試驗(yàn)裝置Fig.5 Tension–shear experimental device

試驗(yàn)裝置通過連接微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)施加力，變換轉(zhuǎn)接桿與側(cè)板孔位置，獲得拉應(yīng)力與螺栓軸線不同角度的測試數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)接桿與側(cè)板通過銷連接，側(cè)板（圖6）連接孔與螺栓軸心角度分別加工為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，拉伸–剪切復(fù)合載荷角度為0°時(shí)，試樣受純拉伸力；角度為90°時(shí)，試樣受純剪切力；角度為15°、30°、45°、60°、75°時(shí)受拉伸–剪切復(fù)合載荷。

圖6 側(cè)板工裝圖Fig.6 Side plate tooling diagram

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)（圖7（a）），設(shè)備精度1級，主要用于金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗(yàn)；拉伸–剪切試驗(yàn)裝置實(shí)物如圖7（b）所示。

圖7 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental equipment and experimental device

2.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的螺栓材料為國產(chǎn)鈦合金TC4，規(guī)格為MJ6×1，頭型為六角頭，螺紋精度為4h6h，強(qiáng)度等級為1100MPa，表面狀態(tài)為涂覆二硫化鉬+涂十六醇，采用不同角度狀態(tài)各3件進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

純拉伸、純剪切、拉伸–剪切3種狀態(tài)分別拉至破壞，破壞拉力結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of experimental

側(cè)板連接孔與螺栓軸心角度為15°、30°、45°、60°、75°時(shí)試樣受拉伸–剪切復(fù)合載荷；角度為0時(shí)試樣受純拉伸力；角度為90°時(shí)試樣受純剪切力。試驗(yàn)結(jié)果平均值見表2。

表2 各角度試驗(yàn)結(jié)果平均值Table 2 Mean value of experimental results

隨著拉應(yīng)力與螺栓軸線角度的增大，鈦合金螺栓在拉應(yīng)力和切應(yīng)力耦合作用下的破壞載荷力值逐漸降低，拉應(yīng)力與螺栓軸線角度為75°時(shí)，降幅最大，較純拉力時(shí)低40%。拉應(yīng)力與螺栓軸線角度為90°時(shí)試樣受純剪切力，破壞載荷稍有提升。

如圖8所示，以縱坐標(biāo)為拉伸載荷，以橫坐標(biāo)為剪切載荷，將試驗(yàn)平均載荷標(biāo)注在試驗(yàn)角度分度線上，繪制復(fù)合載荷圖，連接圖上各平均載荷點(diǎn)，并適當(dāng)修正，得到平滑的復(fù)合載荷圖。隨著拉應(yīng)力與螺栓軸線角度的增大，鈦合金螺栓所受拉應(yīng)力在逐漸變小，切應(yīng)力在逐漸增大。

圖8 復(fù)合載荷圖Fig.8 Compound load

4 結(jié)論

結(jié)合鈦合金螺栓在拉應(yīng)力和切應(yīng)力耦合作用的受力特點(diǎn)，加工了拉伸–剪切復(fù)合載荷的測試裝置，測試裝置結(jié)構(gòu)參照美國軍用標(biāo)準(zhǔn)《NASM1312—2緊固件試驗(yàn)方法 復(fù)合載荷》,能夠準(zhǔn)確測試緊固件在拉伸–剪切復(fù)合載荷狀態(tài)下的力學(xué)性能，得到了鈦合金螺栓在純拉伸、純剪切、拉伸–剪切等力狀態(tài)下的力學(xué)性能參數(shù)，以及拉應(yīng)力與螺栓軸線角度變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響,得到如下結(jié)論：

鈦合金螺栓在拉應(yīng)力和切應(yīng)力耦合作用下的力學(xué)性能指標(biāo)明顯較純拉力性能明顯下降，降幅最高達(dá)40%，因此針對型號用鈦合金螺栓受拉–剪復(fù)合載荷的特殊環(huán)境，應(yīng)根據(jù)安裝與拉伸角度的不同，合理考慮設(shè)計(jì)安全余量。