如何提高螺栓抗拉疲勞性能

現(xiàn)代化的設(shè)備中，螺栓更多是在變載荷下工作。例如:某種內(nèi)燃機(jī)缸蓋螺栓，工作在反復(fù)受拉的惡劣環(huán)境中，且結(jié)構(gòu)上不允許加大螺栓尺寸，這就必須提高它的強(qiáng)度和抗拉疲勞性能，也就是說，對(duì)這類螺栓的抗拉疲勞壽命有更高的要求。

螺紋聯(lián)接件的疲勞規(guī)范

由于用戶的不同,聯(lián)接件使用環(huán)境各異，因此，必須統(tǒng)一環(huán)境才能制訂和選擇壽命指標(biāo),而最主要的環(huán)境條件是載荷。

1. 1載荷條件

這里指的載荷條件是當(dāng)做疲勞試驗(yàn)時(shí)，對(duì)螺栓施加的最大和最小載荷值。目前ISO和我國規(guī)范對(duì)σb≥1200MPa等級(jí)以上的螺栓，都把最大載荷值規(guī)定為螺栓最小抗拉破壞載荷的46%-K值(載荷系數(shù)) 。

規(guī)范中對(duì)不同直徑的螺栓規(guī)定了最小破壞載荷標(biāo)準(zhǔn)值，它既作為靜拉強(qiáng)度的驗(yàn)收依據(jù)，又作為疲勞試驗(yàn)的載荷依據(jù)(疲勞抗拉試驗(yàn)最大載荷=最小抗拉載荷×載荷系數(shù)K) 。例如對(duì)合金鋼凸頭螺栓，K值取0. 46。。

疲勞抗拉試驗(yàn)中最小載荷由載荷比R 決定。R =最小載荷/最大載荷, R = 0. 1。

1. 2壽命指標(biāo)

在上述的載荷規(guī)定下,還有統(tǒng)一的壽命指標(biāo)。即在規(guī)范規(guī)定的抽樣樣品中，最小循環(huán)次數(shù)不小于4. 5 ×10的4 次方次,，凡樣品中超過13 ×10的4 次方次的只按13 ×10的4次方次計(jì)平均值。

螺紋聯(lián)接件抗拉疲勞壽命

2. 1螺栓材料及熱處理的選擇

我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如: GB /T3098. 1 - 2000)規(guī)定:對(duì)σb ≥1 200MPa 的螺栓才有疲勞性能要求(Lin：對(duì)于高強(qiáng)鋼提出疲勞性能要求的主要原因是高強(qiáng)鋼本身在強(qiáng)度提高的同時(shí)，其材料性能的塑性儲(chǔ)備是明顯劣于中低強(qiáng)度鋼的。

把這一要求去與具有更高強(qiáng)度同時(shí)又有很好的塑性儲(chǔ)備的鎳基合金和鈦合金比較顯然是不合適的。), 如40CrNiMo、30CrMnSi等。如果選用強(qiáng)度更高的合金鋼材料,如美國INCONEL718合金,它可以有1 600MPa以上的強(qiáng)度,按一般規(guī)范載荷作疲勞試驗(yàn)時(shí),就會(huì)有很高的壽命值,以M6螺栓為例。

如表1規(guī)范所定的疲勞試驗(yàn)載荷為11. 01 kN 靜拉破壞載荷為23. 93 kN,而INCONEL718合金實(shí)際靜拉破壞載荷可高達(dá)35kN,若仍以11. 01 kN為Pmax做疲勞試驗(yàn),則只相當(dāng)于靜拉破壞載荷的31%,其壽命值當(dāng)然會(huì)較高。可是如30CrMnSiNi這類高強(qiáng)度材料,其缺口敏感性極高,做抗拉疲勞試驗(yàn)時(shí)的壽命值很低,根本不宜用作有抗拉疲勞要求的螺紋零件。

某些材料靜拉破壞載荷雖然可以與30CrMnSi等合金鋼相近,但以同樣載荷水平作疲勞壽命試驗(yàn)時(shí), 疲勞壽命值達(dá)不到規(guī)范要求, 如鈦合金Ti6Al4V。為使其疲勞壽命值與30CrMnSi等合金鋼一致,必須把載荷水平降至40% (即K值取40% ) ,對(duì)其他類型鈦合金(如Ti21523) , K應(yīng)降至36%(Lin：這種提法也有問題：通常對(duì)于具有同等靜力強(qiáng)度鈦合金螺栓，其疲勞性能會(huì)比同樣的鋼制螺栓要好。這是一種對(duì)不同材料性能的基本認(rèn)識(shí)。

在這種情況下，顯然鈦合金螺栓的可以高于0.46， 肯定不會(huì)是0.36.)。因此,對(duì)螺栓聯(lián)接件要求有足夠高的靜拉強(qiáng)度,又要有較高抗拉疲勞壽命,應(yīng)注意正確選擇材料。

疲勞斷裂和延遲斷裂是機(jī)械零部件失效的2個(gè)主要原因(Lin：這又是在混淆概念。螺栓發(fā)生延遲斷裂的主要因素往往是由于表面電鍍引起的一種氫致?lián)p傷行為，與疲勞斷裂基本上無關(guān))。

一般而言,當(dāng)鋼的抗拉強(qiáng)度約1 200MPa時(shí),疲勞強(qiáng)度和延遲斷裂抗力均隨強(qiáng)度和硬度的提高而提高;但當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過約1 200MPa時(shí),疲勞強(qiáng)度不再繼續(xù)提高,延遲斷裂抗力反而急劇下降。機(jī)械制造用鋼大多是中碳合金鋼,并在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用,其抗拉強(qiáng)度大多為800～1 000MPa。提高其強(qiáng)度并不難,而最大的困難在于解決強(qiáng)度提高后的低壽命問題。疲勞破壞和延遲斷裂問題是機(jī)械制造用鋼高強(qiáng)度化和長壽命化的主要障礙。

熱處理也是很重要的因素,高強(qiáng)度螺栓調(diào)質(zhì)過程中的回火,在高溫回火區(qū)域,容易產(chǎn)生硫、磷等雜質(zhì)元素,雜質(zhì)元素在晶界上偏聚,會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂,尤其是當(dāng)硬度在35HRC以上,脆性傾向更加嚴(yán)重。

2. 2提高抗疲勞壽命的工藝方法

螺紋聯(lián)接件在未強(qiáng)化之前,其抗拉疲勞破壞的幾率為: 65%的破壞發(fā)生在與螺母聯(lián)接的第一扣；20%的破壞發(fā)生在螺紋與光桿的轉(zhuǎn)變處(Lin：這種描述基本正確，但是，造成在這些部位發(fā)生疲勞破壞的根本原因還是結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度過高)，也就是發(fā)生在螺紋的收尾處; 15%的破壞發(fā)生在螺栓頭與螺桿過渡圓角處,如圖1所示。必須說明,上述數(shù)據(jù)建立在整個(gè)聯(lián)接件金屬流線沒有破壞的條件下。

圖1 螺栓沉頭角度要求及螺紋牙受力分析

為改善抗拉疲勞壽命,可以在螺栓形狀和工藝上采取措施,目前最有效的方法如下。

2. 2. 1采用MJ螺紋(即加強(qiáng)螺紋)

MJ螺紋與普通螺紋的主要區(qū)別在外螺紋的小徑d1 和R ,如圖2 所示。MJ 螺紋的主要特點(diǎn)是小徑d1 較普通螺紋大些,牙根圓角半徑增大,減小螺栓的應(yīng)力集中。對(duì)R 有具體要求(Rmax = 0. 180 42 P,Rmin = 0. 150 11 P, P為螺距) ,而普通螺紋無此要求,甚至可以為平直段。這一重要變動(dòng),可以大大改善小徑的抗拉疲勞性能。目前航空、航天器螺栓多采用MJ螺紋。

圖2 壓根過渡圓角

2. 2. 2改善螺紋疲勞性能

采用滾壓螺紋的工藝方法,由于冷作硬化的作用,表層有殘余壓應(yīng)力,可使螺栓內(nèi)部金屬纖維線走向合理且不被切斷,其疲勞強(qiáng)度可較車制螺紋高30%～40%。若熱處理后再滾壓螺紋,使零件表面得到強(qiáng)化并獲得殘余壓力層,其材料表面疲勞極限可提高70%～100%。

這種工藝還具有材料利用率高、生產(chǎn)率高和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)為不同工藝方法下的疲勞壽命值。試驗(yàn)螺栓材料為30CrMnSiA, 螺栓標(biāo)準(zhǔn)為GJB121. 2. 3, 6 ×26 (即MJ6)按試驗(yàn)方法進(jìn)行抗拉疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)疲勞載荷: Pmax = 10. 1 kN, Pmin = 1. 01kN,結(jié)果見表2。

從表2可知,熱處理后滾螺紋再冷滾螺栓轉(zhuǎn)角處圓角r(見圖1)的抗拉疲勞性能最好。冷擠r的值要求不嚴(yán)格,技術(shù)條件只規(guī)定了變形量上限。

圖3 嚴(yán)格控制收尾尺寸,減少螺栓的應(yīng)力集中

2. 2. 3嚴(yán)格控制收尾尺寸

如圖1所示,螺栓螺紋與光桿過渡區(qū)是重要的疲勞源之一,嚴(yán)格按收尾尺寸控制過渡區(qū)形狀是提高該區(qū)域疲勞壽命的重要措施。因此,在設(shè)計(jì)制造滾絲輪時(shí),必須按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格修磨收尾處,且在滾絲時(shí)嚴(yán)格控制滾絲位置。具體措施可采用較大的過渡圓角見圖3a,切制卸載結(jié)構(gòu)見圖3b、圖3c,螺紋收尾處切制退刀槽也可減少應(yīng)力集中(Lin：圖3b和3c的示意圖有明顯的誤導(dǎo)作用。增大過渡區(qū)域的圓角，的確有緩和局部應(yīng)力集中的作用，但是圖3b 3c)。

對(duì)圖1所示螺栓轉(zhuǎn)角r冷擠,可提高轉(zhuǎn)角處抗拉疲勞壽命。如表2 所示, 若只采取2. 2. 1 ) ,2. 2. 2) , 2. 2. 3)項(xiàng)強(qiáng)化措施,疲勞斷裂將全部發(fā)生在螺栓轉(zhuǎn)角r處。所以,冷擠強(qiáng)化轉(zhuǎn)角r是提高螺栓整體抗拉疲勞壽命的重要措施之一。

2. 3避免產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力

由于設(shè)計(jì)、制造和裝配不良的原因,會(huì)導(dǎo)致螺栓偏心載荷。偏心載荷會(huì)在螺栓中引起附加彎曲應(yīng)力,大大降低螺栓的疲勞強(qiáng)度,所以,從結(jié)構(gòu)和工藝上應(yīng)采取相應(yīng)的措施,以避免附加彎矩的產(chǎn)生。

(1)螺栓的沉孔角度要準(zhǔn)確,只允許0°～0. 5°的正偏差,不允許負(fù)偏差,如圖1所示。

(2)螺栓的支承面應(yīng)平整,并與螺栓孔軸線垂直。

(3)對(duì)工件上裝配六角頭一類的安裝孔,孔的倒角應(yīng)符合國際規(guī)定。

2. 4預(yù)緊力裝配

預(yù)緊力是螺紋聯(lián)接中最被關(guān)注的一個(gè)問題。理論和實(shí)踐證明,螺栓和被聯(lián)接件的剛度不變,只恰當(dāng)?shù)卦龃箢A(yù)緊力,對(duì)抗拉疲勞性能有明顯提高。這就是螺栓預(yù)緊應(yīng)力高達(dá)( 0. 7～0. 8)σs 的一個(gè)原因。為此,準(zhǔn)確控制預(yù)緊力并保持其不減退是很重要的。預(yù)緊應(yīng)力大小由定力扳手或預(yù)應(yīng)力指示墊圈控制。不同條件下對(duì)預(yù)應(yīng)力大小要求不同,常用的預(yù)應(yīng)力估算可用下列經(jīng)驗(yàn)公式：

對(duì)一般機(jī)械預(yù)緊應(yīng)力: σp = (0. 5 ～ 0. 7)σs ;對(duì)高強(qiáng)度聯(lián)接: σp = 0. 75σs (為屈服極限)(Lin：這種預(yù)應(yīng)力的提法又與前面的46%的提法相矛盾)。近年來出現(xiàn)一種螺栓聯(lián)接的新方法,就是把螺栓預(yù)緊到屈服點(diǎn),使螺栓在塑性域工作。詳情可參閱日本人丸山一郎的論文《塑性ねじ域締結(jié)》(《機(jī)械の研究》40卷No12. 1988) 。對(duì)重要預(yù)緊應(yīng)力抗疲勞聯(lián)接,應(yīng)作不同預(yù)緊應(yīng)力的疲勞壽命試驗(yàn),才能確定正確而可用的預(yù)應(yīng)力值。

總結(jié)

文中通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從螺栓的選材、加工工藝和裝配方面，提出了一些提高螺栓抗拉疲勞強(qiáng)度的具體措施，有些已在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了其有效性，有些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論仍有待于得到理論上的進(jìn)一步探討和支持?？偠灾?，提高螺栓的抗拉疲勞性能必須采取綜合措施，任何單一的措施都不能完成整體抗疲勞的需要。