如@@何提高螺栓抗拉疲劳性能@@

现代化的@@设备@@中@@，螺栓更多是在变载荷下工作@@。例如@@@@:某种内燃机缸盖螺栓@@，工作在反复受拉的@@恶劣环境中@@，且结构上不允许加大螺栓尺寸@@，这就必须提高它的@@强度和@@抗拉疲劳性能@@，也就是说@@，对@@这类螺栓的@@抗拉疲劳寿命有更高的@@要求@@。

螺纹@@联接件@@的@@疲劳规范@@

由于用户的@@不同@@,联接件使用环境各异@@，因此@@，必须统一环境才能制订和@@选择寿命指标@@@@,而@@最主要的@@环境条件是载荷@@。

1. 1载荷条件@@

这里指的@@载荷条件@@是当做疲劳试验@@时@@@@，对@@螺栓施加的@@最大和@@最小载荷@@值@@@@。目前@@ISO和@@我国规范对@@@@σb≥1200MPa等@@级以@@上@@的@@螺栓@@，都把最大载荷@@值@@规定@@为@@螺栓最小抗拉破坏载荷的@@@@46%-K值@@(载荷系数@@) 。

规范中对@@不同直径的@@螺栓规定@@了最小破坏载荷标准值@@@@，它既作为@@静拉强度的@@验收依据@@，又作为@@疲劳试验的@@载荷依据@@(疲劳抗拉试验最大载荷@@@@=最小抗拉载荷@@×载荷系数@@K) 。例如@@@@对@@合金@@钢凸头螺栓@@，K值@@取@@0. 46。。

疲劳抗拉试验中最小载荷@@由载荷比@@R 决定@@。R =最小载荷@@/最大载荷@@, R = 0. 1。

1. 2寿命指标@@

在上述的@@载荷规定@@下@@,还有统一的@@寿命指标@@@@。即@@在规范规定@@的@@抽样样品中@@，最小循环次数不小于@@4. 5 ×10的@@4 次方次@@,，凡样品中超过@@13 ×10的@@4 次方次@@的@@只按@@13 ×10的@@4次方次@@计平均值@@@@。

螺纹@@联接件@@抗拉疲劳寿命@@

2. 1螺栓材料及热处@@理的@@选择@@

我国有关标准@@(如@@: GB /T3098. 1 - 2000)规定@@:对@@σb ≥1 200MPa 的@@螺栓才有疲劳性能要求@@(Lin：对@@于高强钢提出疲劳性能要求的@@主要原因是高强钢本身在强度提高的@@同时@@@@，其材料性能的@@塑性@@储备@@是明显劣于中低强度钢的@@@@。

把这一要求去与具有更高强度同时@@又有很好的@@塑性@@储备@@的@@镍基合金@@和@@钛合金@@比较显然是不合适的@@@@。), 如@@40CrNiMo、30CrMnSi等@@。如@@果选用强度更高的@@合金@@钢材料@@,如@@美国@@INCONEL718合金@@,它可以@@有@@1 600MPa以@@上@@的@@强度@@,按一般规范载荷作疲劳试验时@@@@,就会有很高的@@寿命值@@@@,以@@M6螺栓为@@例@@。

如@@表@@@@1规范所定的@@疲劳试验载荷为@@@@11. 01 kN 静拉破坏载荷为@@@@23. 93 kN,而@@INCONEL718合金@@实际静拉破坏载荷可高达@@35kN,若仍以@@@@11. 01 kN为@@Pmax做疲劳试验@@,则只相当于静拉破坏载荷的@@@@31%,其寿命值@@当然会较高@@。可是如@@@@30CrMnSiNi这类高强度材料@@,其缺口敏感性极高@@,做抗拉疲劳试验时@@的@@寿命值@@很低@@,根本不宜用作有抗拉疲劳要求的@@螺纹@@零件@@。

某些材料静拉破坏载荷虽然可以@@与@@30CrMnSi等@@合金@@钢相近@@,但以@@同样载荷水平作疲劳寿命试验时@@@@, 疲劳寿命值@@达不到规范要求@@, 如@@钛合金@@@@Ti6Al4V。为@@使其疲劳寿命值@@与@@30CrMnSi等@@合金@@钢一致@@,必须把载荷水平降至@@40% (即@@K值@@取@@40% ) ,对@@其他类型钛合金@@@@(如@@Ti21523) , K应降至@@36%(Lin：这种提法也有问题@@：通常对@@于具有同等@@静力强度钛合金@@螺栓@@，其疲劳性能会比同样的@@钢制螺栓要好@@。这是一种对@@不同材料性能的@@基本认识@@。

在这种情况下@@，显然钛合金@@螺栓的@@可以@@高于@@0.46， 肯定不会是@@0.36.)。因此@@,对@@螺栓联接件要求有足够高的@@静拉强度@@,又要有较高抗拉疲劳寿命@@,应注意正确选择材料@@。

疲劳断裂和@@延迟断裂是机械@@零部件失效的@@@@2个主要原因@@(Lin：这又是在混淆概念@@。螺栓发生延迟断裂的@@主要因素往往是由于表@@面电镀引起的@@一种氢致损伤行为@@@@，与疲劳断裂基本上无关@@)。

一般而@@言@@,当钢的@@抗拉强度约@@1 200MPa时@@,疲劳强度和@@延迟断裂抗力均随强度和@@硬度的@@提高而@@提高@@;但当抗拉强度超过约@@1 200MPa时@@,疲劳强度不再继续提高@@,延迟断裂抗力反而@@急剧下降@@。机械@@制造用钢大多是中碳合金@@钢@@,并在调质状态下使用@@,其抗拉强度大多为@@@@800～1 000MPa。提高其强度并不难@@,而@@最大的@@困难在于解决强度提高后的@@低寿命问题@@。疲劳破坏和@@延迟断裂问题是机械@@制造用钢高强度化和@@长寿命化的@@主要障碍@@。

热处@@理也是很重要的@@因素@@,必威娱乐 调质过程中的@@回火@@,在高温回火区域@@,容易产生硫@@、磷等@@杂质元素@@,杂质元素在晶界上偏聚@@,会产生脆性断裂@@,尤其是当硬度在@@35HRC以@@上@@,脆性倾向更加严重@@。

2. 2提高抗疲劳寿命的@@工艺方法@@

螺纹@@联接件@@在未强化之前@@,其抗拉疲劳破坏的@@几率为@@@@: 65%的@@破坏发生在与螺母联接的@@第一扣@@；20%的@@破坏发生在螺纹@@与光杆的@@转变处@@@@(Lin：这种描述基本正确@@，但是@@，造成在这些部位发生疲劳破坏的@@根本原因还是结构的@@应力集中程度过高@@)，也就是发生在螺纹@@的@@收尾处@@@@; 15%的@@破坏发生在螺栓头与螺杆过渡圆角处@@@@,如@@图@@@@1所示@@。必须说明@@,上述数据建立在整个联接件金属流线没有破坏的@@条件下@@。

图@@1 螺栓沉头角度要求及螺纹@@牙受力分析@@

为@@改善抗拉疲劳寿命@@,可以@@在螺栓形状和@@工艺上采取措施@@,目前@@最有效的@@方法如@@下@@。

2. 2. 1采用@@MJ螺纹@@(即@@加强螺纹@@@@)

MJ螺纹@@与普通螺纹@@的@@主要区别在外螺纹@@的@@小径@@d1 和@@R ,如@@图@@@@2 所示@@。MJ 螺纹@@的@@主要特点是小径@@d1 较普通螺纹@@大些@@,牙根圆角半径增大@@,减小螺栓的@@应力集中@@。对@@R 有具体要求@@(Rmax = 0. 180 42 P,Rmin = 0. 150 11 P, P为@@螺距@@) ,而@@普通螺纹@@无此要求@@,甚至可以@@为@@平直段@@。这一重要变动@@,可以@@大大改善小径的@@抗拉疲劳性能@@。目前@@航空@@、航天器螺栓多采用@@@@MJ螺纹@@。

图@@2 压根过渡圆角@@

2. 2. 2改善螺纹@@疲劳性能@@

采用@@滚压螺纹@@的@@工艺方法@@,由于冷作硬化的@@作用@@,表@@层有残余压应力@@,可使螺栓内部金属纤维线走向合理且不被切断@@,其疲劳强度可较车制螺纹@@高@@30%～40%。若热处@@理后再滚压螺纹@@@@,使零件表@@面得到强化并获得残余压力层@@,其材料表@@面疲劳极限可提高@@70%～100%。

这种工艺还具有材料利用率高@@、生产率高和@@制造成本低等@@优点@@。表@@2 试验数据为@@不同工艺方法下的@@疲劳寿命值@@@@。试验螺栓材料为@@@@30CrMnSiA, 螺栓标准为@@@@GJB121. 2. 3, 6 ×26 (即@@MJ6)按试验方法进行抗拉疲劳试验@@,试验疲劳载荷@@: Pmax = 10. 1 kN, Pmin = 1. 01kN,结果见表@@@@2。

从表@@@@2可知@@,热处@@理后滚螺纹@@再冷滚螺栓转角处@@圆角@@r(见图@@@@1)的@@抗拉疲劳性能最好@@。冷挤@@r的@@值@@要求不严格@@,技术条件只规定@@了变形量上限@@。

图@@3 严格控制收尾尺寸@@,减少螺栓的@@应力集中@@

2. 2. 3严格控制收尾尺寸@@

如@@图@@@@1所示@@,螺栓螺纹@@与光杆过渡区是重要的@@疲劳源之一@@,严格按收尾尺寸控制过渡区形状是提高该区域疲劳寿命的@@重要措施@@。因此@@,在设计制造滚丝轮时@@@@,必须按标准严格修磨收尾处@@@@,且在滚丝时@@严格控制滚丝位置@@。具体措施可采用@@较大的@@过渡圆角见图@@@@@@3a,切制卸载结构见图@@@@@@3b、图@@3c,螺纹@@收尾处@@切制退刀槽也可减少应力集中@@(Lin：图@@3b和@@3c的@@示意图@@有明显的@@误导作用@@。增大过渡区域的@@圆角@@，的@@确有缓和@@局部应力集中的@@作用@@，但是@@图@@@@3b 3c)。

对@@图@@@@1所示@@螺栓转角@@r冷挤@@,可提高转角处@@抗拉疲劳寿命@@。如@@表@@@@2 所示@@, 若只采取@@2. 2. 1 ) ,2. 2. 2) , 2. 2. 3)项强化措施@@,疲劳断裂将全部发生在螺栓转角@@r处@@。所以@@@@,冷挤@@强化转角@@r是提高螺栓整体抗拉疲劳寿命的@@重要措施之一@@。

2. 3避免产生附加弯曲应力@@

由于设计@@、制造和@@装配不良的@@原因@@,会导致螺栓偏心载荷@@。偏心载荷会在螺栓中引起附加弯曲应力@@,大大降低螺栓的@@疲劳强度@@,所以@@@@,从结构和@@工艺上应采取相应的@@措施@@,以@@避免附加弯矩的@@产生@@。

(1)螺栓的@@沉孔角度要准确@@,只允许@@0°～0. 5°的@@正偏差@@,不允许负偏差@@,如@@图@@@@1所示@@。

(2)螺栓的@@支承面应平整@@,并与螺栓孔轴线垂直@@。

(3)对@@工件上装配六角头一类的@@安装孔@@,孔的@@倒角应符合国际规定@@@@。

2. 4预紧力装配@@

预紧力是螺纹@@联接中最被关注的@@一个问题@@。理论和@@实践证明@@,螺栓和@@被联接件的@@刚度不变@@,只恰当地增大预紧力@@,对@@抗拉疲劳性能有明显提高@@。这就是螺栓预紧应力高达@@( 0. 7～0. 8)σs 的@@一个原因@@。为@@此@@,准确控制预紧力并保持其不减退是很重要的@@@@。预紧应力大小由定力扳手或预应力指示垫圈@@控制@@。不同条件下对@@预应力大小要求不同@@,常用的@@预应力估算可用下列经验公式@@：

对@@一般机械@@预紧应力@@: σp = (0. 5 ～ 0. 7)σs ;对@@高强度联接@@: σp = 0. 75σs (为@@屈服极限@@)(Lin：这种预应力的@@提法又与前面的@@@@46%的@@提法相矛盾@@)。近年@@来出现一种螺栓联接的@@新方法@@,就是把螺栓预紧到屈服点@@,使螺栓在塑性@@域工作@@。详情可参阅日@@本人丸山一郎的@@论文@@《塑性@@ねじ域缔结@@》(《机械@@の研究@@》40卷@@No12. 1988) 。对@@重要预紧应力抗疲劳联接@@,应作不同预紧应力的@@疲劳寿命试验@@,才能确定正确而@@可用的@@预应力值@@@@。

总结@@

文中通过试验数据和@@实践经验@@，从螺栓的@@选材@@、加工工艺和@@装配方面@@，提出了一些提高螺栓抗拉疲劳强度的@@具体措施@@，有些已在实际应用中验证了其有效性@@，有些经验数据和@@结论仍有待于得到理论上的@@进一步探讨和@@支持@@。总而@@言之@@，提高螺栓的@@抗拉疲劳性能必须采取综合措施@@，任何单一的@@措施都不能完成整体抗疲劳的@@需要@@。