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避免螺栓疲劳断裂后的灾难性破坏      时间：2010年06月10日

螺栓联接是机械制造与机械设备安装中广泛应用的一种联接形式。但是，由于人们对于螺栓的疲劳破坏不易发现，又很难预防，多年来，因螺栓的疲劳断裂而造成重大事故在国内处时有发生。因此，对于螺栓的破坏研究也越来越被人们所重视。    金属的疲劳断裂
    在已经破坏的金属零件中，疲劳破坏的比例占90%左右，可见其危害之大。
    在金属零件的制造和使用过程中，由于锻造缺陷、焊接裂纹、表面划痕、非金属夹杂、腐蚀坑等各种原因，往往使零件表面已经产生了各种类型的裂纹，当其承受交变载荷时，即使载荷远低于材料的疲劳极限，裂纹也可能立即扩展，导致机器的灾难性破坏。
    1． 形成疲劳源区
    疲劳源是零件疲劳破坏的起始点，用肉眼很春看到，它通常发生在零件的尖角、凹糟、截面突变等应力集中部位表面，或发生在有夹杂、疏松、气孔等零件的内部。当零件在工作中出现应力峰值时，这些部位就会突破晶间结合力，产生微观裂纹且沿一定的结晶界生长，形成疲劳裂纹的核心──疲劳源。然后，裂纹立即沿滑移带与应力成45°角向金属内部伸展。从金属表面材料滑移到裂纹成核，称为疲劳过程的第1价段。
    疲劳源有时是一个，有时是两个或两个以上（见图1），在疲劳区常放射状线条，向四周延伸。


    2．疲劳裂纹扩展区
    这一区域的形成是由疲劳源开始的。在疲劳源区，裂纹伸展到一定长度后，逐渐改变方向，最后与拉应力成垂直状态，按非结晶学方式扩展，即进入裂纹扩展的第2个阶段，如图2所示。这一价段裂纹扩展既有微观扩展价段，也有宏观扩展价段，它们的扩展性质一致，只存在着量的差别。


    在裂纹的第2个价段扩展中，又分为裂纹包围的弹性区内扩展和裂纹在塑性区内扩展。当裂纹长度远远大于裂纹顶端塑性尺寸时，对于承受低循环、高载荷、高裂纹扩展速度的零件，属于在塑性区内的扩展。裂纹在第2个价段的扩展过程，是裂纹顶端附近金属在剪应力作用下，发生反复塑性度形过程，如图3所示。

    在图3a中，应力为零时，裂纹闭合，其顶端尖锐。
    在应力循环的第一个1/4周期内。如图3b所示，施拉应力时，裂纹开口变大，其顶端因受剪切发生塑性变形，金属产生滑移，并有两个缺口。
    在图3c中，当拉应力达最大值时，裂纹开口更大，裂纹顶端变宽，应力集中减小，裂纹停止扩展。在应力循环的第二个1/4周期内，是卸荷价段。
    在3d中，裂纹开口变小，顶端两侧面向一起靠扰，金属滑移带朝反方向滑移，再次形成两个缺口。
    在应力循环的第三个1/4周期内，施压应力。在图3e中，裂纹开口变小，裂纹顶端被压缩再次由钝变锐，当压应力达峰值时，裂纹开口闭合，与图3a裂纹形状相同，但裂纹向前扩展了一个△L度
    在每一应力循环过程中，裂纹顶端形状总是由锐→钝→锐的变化，并向前扩展了一个△L长度，这样裂纹就随应力循环的次数变化，一个△L接一个△L向前扩展。
   裂纹每扩展一次，便在疲劳断口上留下一条疲劳裂纹。
    3．疲劳断裂区
    随着疲劳裂纹的不断扩展，使零件承受应力的效面积越来越小，当其中某个应力循环次数的最大应力大于材料的疲劳极限时，便产生瞬间断裂，形成了疲劳断裂区。对于塑性材料，其断口呈纤维状、暗灰色，对于脆性材料其断口呈结晶状。
    螺栓的疲劳断裂
    由金属零件的疲劳断裂分析可知，一个零件在交变载荷作用下，能否产生疲劳破坏，关键是能否产生疲劳源。而螺栓联接的劳破坏，由于其结构特点不同，产生疲劳源的因素较为突出。
    1．螺栓的疲劳破坏多发生在螺纹根部
    如图4所示，试件做拉伸疲劳试验结果发现疲劳断裂位置在螺纹根部，而不是在光杆的最细位置。


    由计算可知，在螺纹根部截面上最大应力σ1max光杆最细部截面的最大应力σ2max之比为102/222=1/4.84，这说明螺纹的疲劳强度比光杆的疲劳强度降低4.84。
    螺纹疲劳强度降低的原因如下：
   （1）车削螺纹时，将毛坯外部质量好的金属车掉，而剩下的质量较差的金属部分作为螺栓杆，没有合理地利用优质金属结晶，使螺纹强度降低。
   （2）由于在螺纹根部有很小的加工圆角及较大的应力梯度的存在，造成应力集中现象。
   （3）螺纹根部的表面粗糙度值比螺纹斜面部位的表面粗糙值高。
   （4）车削螺纹有刀痕互相平行且与螺纹轴线垂直，在刀痕之间存在微观裂纹。
    由于车削螺栓的螺纹在其根部，同时存在上述影响疲劳强度的因素，若有交变载荷便会首先产生疲劳源，加速螺栓疲劳破坏。
    2．螺栓疲劳破坏发生在第一扣螺纹根部
    实践表明，车削螺纹的螺栓破坏情况为：60%~65%是发生在螺栓与螺母的旋合部分的第一扣螺纹的根部，如图5所示；有20%~25%发生在螺纹的退出部分；有10%~20%发生在在螺栓头下面和其他地方。


    在螺栓联接中，由于螺纹存在加误差，使旋俣后的各扣螺纹不是同部接触，也不是同时承受载荷。
    按螺距误差存在的大小不同，有三种接触情况，如图6所示。


    为分析方便起见，设螺母的螺距误差为零，螺栓螺距误差为△P。
    当△P=0时，旋合螺纹全部接触，是理想状态；即使如此，据实验表明第一扣螺纹仍受力最大；当△P0时，旋合螺纹的接触在上方；当△P＞0时，旋合螺纹在第一扣最先接触，导致第一扣螺纹承受载荷再次增大。
    螺纹联接一般多受交变载荷作用。当承受载荷时，螺栓受拉，共螺距增大；而螺母受压力时，其螺距减少，所以，螺栓靠近支承面处的第一扣螺纹根部受载最大。如图7所示，第一扣螺纹承担载荷P1约占总载荷P的25%；第二扣承载约占19%；一、二扣螺纹就承担了总载荷的45%左右。可见各扣螺纹承受载荷的严重不均现象。见图8所示，第一扣螺纹根部应力分布情况，离螺纹根部越近，应力越大，螺纹越易破坏。螺纹根部的理论应力集中系数为σ1max/σn=7.3。


    防止疲劳断裂措施
    1．退缓疲劳萌生的时间
    一般对金属材样进行喷丸处理，喷丸可以细化材料的晶料尺寸及通过形变热处理使晶界面锯齿状或使晶粒向排列并与受力方向垂直。喷丸强化是提高材料疲劳寿命最有效方法之一，同样合理选择热处理方法，也能退缓疲劳萌生的时间。
    2．降底疲劳裂纹的扩展进程
    可对零件表在局部裂纹采用刮磨修理，对疲劳裂纹扩展过程的各种阻滞效应已有很多措施，采用大电流脉冲处理已经证实可延长低碳钢，金属钛等疲劳寿命，大脉冲能改变裂纹尖端的力学行为缓慢扩展进程区段起一定的作用。

    3．提高疲劳裂纹门槛值的长度（△Kth）
    △Kth是材料的一个个的性能参数，对一些要求无限寿命绝对可靠的零件要求它们工作△K值低于△Kth，即合理选择零件材料性质，能提高疲劳裂纹门槛值。
    结语
    螺栓联接在支承面处的第一扣螺纹的根部与其他各扣螺纹比较应力最大，最易首先产生疲劳源，乃至首先发生瞬时疲劳断裂。经上分析探讨，给使用人员和工程设计人员提供可借鉴和参照的技术资料，也可避免因螺栓断裂而引起的灾难性事故。