李玉軍

（甘肅省酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

引言

螺栓疲勞損傷是造成工程機(jī)械損傷的一個重要因素。金屬材料的總應(yīng)力不能超出其最大拉伸強(qiáng)度，否則會因緊固件承受不住外力而造成損傷。一般此類故障情況的形成都是在一段時間內(nèi)，螺栓聯(lián)接上的重復(fù)應(yīng)力變化所引起的。

1 疲勞的分類

按照金屬零部件失效后所經(jīng)過的循環(huán)次數(shù)，可分成高周疲勞和低周疲勞。應(yīng)力循環(huán)超過105次的為高周疲勞，低于105次的為低周疲勞。高周疲勞材料所承擔(dān)的負(fù)荷通常條件下超過了材料的屈服極限，因而通常不會產(chǎn)生顯著的塑性變形，低周疲勞則正好相反。按受力狀態(tài)的不同，可分為兩類：單軸疲勞和多軸疲勞。單軸疲勞是由單一的單向循環(huán)荷載引起的，也就是單向的正應(yīng)力和剪切應(yīng)變，使其產(chǎn)生疲勞破壞。在不同載荷作用下，多軸疲勞可以分為比例疲勞和非比例疲勞。當(dāng)材料承受多個方向的拉伸或壓縮時，其疲勞強(qiáng)度將大大降低，通常稱之為多軸非標(biāo)準(zhǔn)疲勞。如果要保持一定數(shù)量的試樣以保證較高的抗拉能力，則稱為多軸比例疲勞。多軸對稱疲勞（MPCD）是一種復(fù)合疲勞，在金屬零件中，主應(yīng)力和主應(yīng)變至少有兩個方向，并且隨著時間的推移，應(yīng)力和應(yīng)變的幅度也會發(fā)生變化。當(dāng)多軸疲勞裂紋的振幅具有周期性的變化和應(yīng)力—應(yīng)變方向相同時，稱為多軸非比例疲勞。

2 疲勞斷裂的特征

按照缺陷數(shù)量的劃分，螺栓屬多缺陷類零部件。螺栓疲勞特性受螺紋長度以及螺釘?shù)臉?gòu)造、生產(chǎn)制造工藝、材質(zhì)特性等諸多因素的影響，與其他同類材質(zhì)生產(chǎn)的缺陷零部件相較，螺栓缺陷零部件的疲勞強(qiáng)度一般較小，其原因主要有：拉伸應(yīng)力集中、彎曲應(yīng)力集中、由于有螺紋造成受力不均勻、表面較為粗糙等。

除了應(yīng)力集中以外，其它都是螺栓接頭的特殊力學(xué)因素。在螺紋上，有兩種不同的部位，可以使螺桿接頭的疲勞強(qiáng)度降低，螺釘頭部和螺栓接頭之間的圓角，由于受力截面積的突然變化，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。螺栓無明顯問題時，螺栓的疲勞裂紋主要發(fā)生在螺桿的底部，也就是螺桿與螺桿的大圓角處，從而導(dǎo)致了應(yīng)力集中。在實際使用中，如果出現(xiàn)了對中不齊，或者由于螺釘在聯(lián)接加工過程中長度誤差、造型不規(guī)整等原因產(chǎn)生的偏心載荷作用時，疲勞裂紋往往出現(xiàn)在螺釘聯(lián)接頭部和桿部連接處的圓角設(shè)計處。

當(dāng)螺栓連接體內(nèi)部受到軸向的拉伸負(fù)荷影響時，螺栓內(nèi)部連接各扣螺紋的承載力也不一致。總體上，螺栓內(nèi)部和螺母內(nèi)部第一扣螺紋承載力較大，再向下依次遞減。由于第一扣的螺紋受變化的限制較小，容易形成應(yīng)變引起的根部位置。當(dāng)承受載荷達(dá)到一定程度時，這些部位就會產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)失效。因此，對螺栓進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核時，應(yīng)充分考慮這個因素。實際上，疲勞破壞并不是出現(xiàn)在名義上較高負(fù)荷的第一階螺紋上，而是出現(xiàn)在較高負(fù)荷第一階螺紋與第二階螺紋之間或應(yīng)力狀態(tài)下較緊的第二階螺紋底端。

3 螺栓疲勞過程分析

螺栓的疲勞破壞需要同時符合以下四個要求:即呈現(xiàn)周期性變化的循環(huán)拉伸載荷、高于材料的極限拉伸應(yīng)力、對受力變化更為敏感的金屬材料以及在材料自身內(nèi)部也具有相應(yīng)的缺陷。只要符合上述要求，疲勞反應(yīng)就會進(jìn)行且可以分成四個階段:斷裂的產(chǎn)生、斷裂的進(jìn)展、斷裂延伸與材料破壞。

裂紋產(chǎn)生的原因有：表面刮痕、其它微小的表面變化、熱處理工藝的不協(xié)調(diào)或腐蝕、金屬材料內(nèi)部的氫脆。在工程機(jī)械中，幾乎每一種緊固件都存在著疲勞和破壞的可能，一旦發(fā)生了裂縫，其軸向應(yīng)力的變化就會迅速引起裂縫的擴(kuò)大。另外，因為尖角和裂縫的中央位置通常很高（應(yīng)力集中），而周期性的軸向壓力也會造成螺栓接頭材料的斷裂。隨著時間推移，裂紋在各個階段都有擴(kuò)展的可能，而且應(yīng)力區(qū)域（也就是臨界截面）逐漸減小，導(dǎo)致了在一定載荷作用下的拉伸極限增加。因此，疲勞過程的起始時間相對較慢，而斷裂的長度隨周期的變化呈指數(shù)級遞增。

裂紋擴(kuò)展階段通常只是說明了裂紋的迅速擴(kuò)大過程。在此階段，拉應(yīng)力的總體積（即螺栓的臨界截面積）逐步縮小，從而使得螺栓中的應(yīng)力進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)該應(yīng)力超過極限拉伸載荷時，螺栓就在其螺紋的縱向斷面內(nèi)破壞或完全斷開。這種突然斷裂現(xiàn)象通常缺乏預(yù)兆和警示，但可以通過分析斷裂橫截面來直接確定是否因疲勞而破壞。當(dāng)觀測螺栓的斷裂橫截面時，如果一個部分是很平滑的表面，那就是斷裂產(chǎn)生和慢慢延伸的地方。螺栓突然破裂所形成的斷裂縱向截面積是一種粗糙的表面[1-3]。

4 螺紋疲勞因素的S-N圖分析

熱處理、循環(huán)次數(shù)、預(yù)緊壓力、外載荷順序、腐蝕程度等是影響疲勞破壞程度的重要因素。在同樣的使用情況下，這些固定螺栓連接可能會被破壞，但是在一些情況下，這種連接并不會發(fā)生。因此，本文使用S-N曲線來進(jìn)行螺栓的疲勞壽命預(yù)測。S-N曲線圖表示了螺栓的破壞情況，并給出了不同的應(yīng)力區(qū)間和周期數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。另外，螺栓的疲勞強(qiáng)度與螺栓的接頭應(yīng)力及使用次數(shù)密切相關(guān)，而與螺栓接頭受力的程度無關(guān)。

圖1為鋼螺釘緊固件S-N曲線圖，圖中RBHT為先滾壓螺紋后熱處理，RAHT為先熱處理后滾絲。其拉伸應(yīng)力區(qū)域為螺紋拉應(yīng)力范圍TSA：

式中：D為螺紋的公稱直徑，mm；P為螺距，mm。

當(dāng)曲線變?yōu)橹本€的臨界點時，在極限應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)了疲勞破壞。在載荷周期為1×106次以上的情況下，應(yīng)力極限值不會降低。圖1中的全部曲線均采用B10壽命表示（失效率為10%)，而RBHT（級別10.9）具有90 MPa的耐久極限應(yīng)力。因此，在設(shè)計螺釘接頭時，在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)該把螺桿的軸向應(yīng)力控制在90MPa以下[4-5]。

圖1 鋼制螺紋的S-N圖

5 修正古德曼曲線

一般來說，只有絕對極限區(qū)域影響疲勞強(qiáng)度，而平均應(yīng)力區(qū)域則與疲勞程度沒關(guān)系。但對以RAHT工藝加工的固定件，隨著平均應(yīng)力的降低，允許的應(yīng)力區(qū)也隨之增大。隨著平均應(yīng)力區(qū)的增大，允許的應(yīng)力區(qū)隨之減小。平均應(yīng)力區(qū)域是預(yù)緊機(jī)構(gòu)力的函數(shù)，預(yù)緊力越大，平均應(yīng)力范圍也就越大。因此，使用上述方法修正古德曼曲線，得到的古德曼曲線如圖2所示，并描繪了內(nèi)部應(yīng)力區(qū)域與平均應(yīng)力之間的關(guān)系。因此，對于存在潛在疲勞問題的工程結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采用RAHT工藝加工緊固件。

圖2 修正后的古德曼曲線

6 防止疲勞的方法

1）在產(chǎn)品設(shè)計時，螺釘?shù)膸缀涡螤钜苊饧怃J的部位和凹槽，由于螺紋連接處底部的圓角設(shè)計，內(nèi)彎曲半徑是連接處的內(nèi)力最集中的部位，因此，設(shè)計的圓角半徑越大，效果越好。另外，螺釘聯(lián)接根部的內(nèi)切圓半徑也要盡量大。

2）對于主要的螺栓，推薦采用MJ型螺紋，以增加其疲勞強(qiáng)度，同時螺絲扣也應(yīng)軋壓而不是直接使用機(jī)加工技術(shù)。由于切割螺紋會損傷基底金屬板材，使根部更易產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。軋壓螺紋的牙根部位被擠壓后會得到更大的抗拉強(qiáng)度。而切割螺紋也往往在機(jī)械加工后有初始斷裂。另外，與RBHT工藝相比，用RAHT工藝加工的螺紋具有更好的疲勞壽命。然而，RAHT過程相對于RBHT過程成本更高，更難以實現(xiàn)。使用RAHT工藝加工螺紋，在螺栓連接的下面，內(nèi)切圓半徑也經(jīng)常發(fā)生斷裂。因此，為了獲得最大的疲勞強(qiáng)度，必須在接頭下面的直徑范圍內(nèi)增大螺栓。

3）較長的螺釘能夠減少循環(huán)應(yīng)力，因而減小了聯(lián)接副的受力比，也減小了在螺釘上的應(yīng)力強(qiáng)度，延長了螺釘?shù)膲勖Ａ硗?，張力比的增大會在夾具上產(chǎn)生較大的循環(huán)載荷，從而影響其使用壽命。

4）應(yīng)當(dāng)減少對螺栓接頭的腐蝕。腐蝕會減少使用壽命，因此，應(yīng)選用合適的涂料以減少銹蝕的危害。

5）要保持夾緊力。如果沒有夾緊的力，在連接副中會出現(xiàn)間隙，從而增大螺栓的應(yīng)力。因此，夾持力矩的損耗是造成螺栓連接失效的主要因素。

7 結(jié)論

從理論上分析了裂紋的形成、發(fā)展、擴(kuò)展和破壞四個階段，提出了一種防止疲勞的方法。對于存在金屬疲勞的問題，應(yīng)該選用經(jīng)RAHT工藝加工的金屬支架，其拉伸強(qiáng)度通常是螺栓的極限拉伸強(qiáng)度。在設(shè)計中，螺桿的幾何尺寸還應(yīng)避免鋒利的區(qū)域和凹槽。對于主要的螺紋，推薦采用MJ型。應(yīng)該降低螺紋接頭的腐蝕，以便為螺紋的設(shè)計優(yōu)化與生產(chǎn)過程提供幫助和指導(dǎo)。