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导读

作者：李玉军（毕业于兰州理工大学，副教授，研究方向为机械设计、传动技术）

来源：现代工业经济和信息化

摘要：疲劳损伤是工程机械发生破坏、失去基本功能的主要原因之一。通过对裂纹的形成、发展、延伸和破坏四个阶段进行理论分析，对劳损流程、螺纹疲劳因素的 S－N 图与经过修改的古德曼曲线都进行解析,并给出了避免螺栓疲劳因素损坏、有效避免疲劳的方法。

0 引言

螺栓疲劳损伤是造成工程机械损伤的一个重要因素。金属材料的总应力不能超出其最大拉伸强度，否则会因紧固件承受不住外力而造成损伤。一般此类故障情况的形成都是在一段时间内，螺栓联接上的重复应力变化所引起的。

1 疲劳的分类

按照金属零部件失效后所经过的循环次数，可分成高周疲劳和低周疲劳。应力循环超过 105 次的为高周疲劳，低于 105 次的为低周疲劳。高周疲劳材料所承担的负荷通常条件下超过了材料的屈服极限，因而通常不会产生显著的塑性变形，低周疲劳则正好相反。按受力状态的不同，可分为两类：单轴疲劳和多轴疲劳。单轴疲劳是由单一的单向循环荷载引起的，也就是单向的正应力和剪切应变，使其产生疲劳破坏。在不同载荷作用下，多轴疲劳可以分为比例疲劳和非比例疲劳。当材料承受多个方向的拉伸或压缩时，其疲劳强度将大大降低，通常称之为多轴非标准疲劳。如果要保持一定数量的试样以保证较高的抗拉能力，则称为多轴比例疲劳。多轴对称疲劳（MPCD）是一种复合疲劳，在金属零件中，主应力和主应变至少有两个方向，并且随着时间的推移，应力和应变的幅度也会发生变化。当多轴疲劳裂纹的振幅具有周期性的变化和应力—应变方向相同时，称为多轴非比例疲劳。

2 疲劳断裂的特征

按照缺陷数量的划分，螺栓属多缺陷类零部件。螺栓疲劳特性受螺纹长度以及螺钉的构造、生产制造工艺、材质特性等诸多因素的影响，与其他同类材质生产的缺陷零部件相较，螺栓缺陷零部件的疲劳强度一般较小，其原因主要有：拉伸应力集中、弯曲应力集中、由于有螺纹造成受力不均匀、表面较为粗糙等。除了应力集中以外，其它都是螺栓接头的特殊力学因素。在螺纹上，有两种不同的部位，可以使螺杆接头的疲劳强度降低，螺钉头部和螺栓接头之间的圆角，由于受力截面积的突然变化，容易产生应力集中现象。螺栓无明显问题时，螺栓的疲劳裂纹主要发生在螺杆的底部，也就是螺杆与螺杆的大圆角处，从而导致了应力集中。在实际使用中，如果出现了对中不齐，或者由于螺钉在联接加工过程中长度误差、造型不规整等原因产生的偏心载荷作用时，疲劳裂纹往往出现在螺钉联接头部和杆部连接处的圆角设计处。当螺栓连接体内部受到轴向的拉伸负荷影响时，螺栓内部连接各扣螺纹的承载力也不一致。总体上，螺栓内部和螺母内部第一扣螺纹承载力较大，再向下依次递减。由于第一扣的螺纹受变化的限制较小，容易形成应变引起的根部位置。当承受载荷达到一定程度时，这些部位就会产生裂纹，最终导致整个结构失效。因此，对螺栓进行疲劳强度校核时，应充分考虑这个因素。实际上，疲劳破坏并不是出现在名义上较高负荷的第一阶螺纹上，而是出现在较高负荷第一阶螺纹与第二阶螺纹之间或应力状态下较紧的第二阶螺纹底端。

3 螺栓疲劳过程分析

螺栓的疲劳破坏需要同时符合以下四个要求:即呈现周期性变化的循环拉伸载荷、高于材料的极限拉伸应力、对受力变化更为敏感的金属材料以及在材料自身内部也具有相应的缺陷。只要符合上述要求，疲劳反应就会进行且可以分成四个阶段: 断裂的产生、断裂的进展、断裂延伸与材料破坏。裂纹产生的原因有：表面刮痕、其它微小的表面变化、热处理工艺的不协调或腐蚀、金属材料内部的氢脆。在工程机械中，几乎每一种紧固件都存在着疲劳和破坏的可能，一旦发生了裂缝，其轴向应力的变化就会迅速引起裂缝的扩大。另外，因为尖角和裂缝的中央位置通常很高（应力集中），而周期性的轴向压力也会造成螺栓接头材料的断裂。随着时间推移，裂纹在各个阶段都有扩展的可能，而且应力区域（也就是临界截面）逐渐减小，导致了在一定载荷作用下的拉伸极限增加。因此，疲劳过程的起始时间相对较慢，而断裂的长度随周期的变化呈指数级递增。裂纹扩展阶段通常只是说明了裂纹的迅速扩大过程。在此阶段，拉应力的总体积（即螺栓的临界截面积）逐步缩小，从而使得螺栓中的应力进一步扩展。当该应力超过极限拉伸载荷时，螺栓就在其螺纹的纵向断面内破坏或完全断开。这种突然断裂现象通常缺乏预兆和警示，但可以通过分析断裂横截面来直接确定是否因疲劳而破坏。当观测螺栓的断裂横截面时，如果一个部分是很平滑的表面，那就是断裂产生和慢慢延伸的地方。螺栓突然破裂所形成的断裂纵向截面积是一种粗糙的表面[1-3]。

4 螺纹疲劳因素的 S-N 图分析

热处理、循环次数、预紧压力、外载荷顺序、腐蚀程度等是影响疲劳破坏程度的重要因素。在同样的使用情况下，这些固定螺栓连接可能会被破坏，但是在一些情况下，这种连接并不会发生。因此，本文使用 S-N 曲线来进行螺栓的疲劳寿命预测。S-N 曲线图表示了螺栓的破坏情况，并给出了不同的应力区间和周期数之间的对应关系。另外，螺栓的疲劳强度与螺栓的接头应力及使用次数密切相关，而与螺栓接头受力的程度无关。图 1 为钢螺钉紧固件 S-N 曲线图，图中 RBHT 为先滚压螺纹后热处理，RAHT 为先热处理后滚丝。其拉伸应力区域为螺纹拉应力范围 TSA：TSA=0.785 4（D- 0.938 2P）2 式中：D 为螺纹的公称直径，mm；P 为螺距，mm。当曲线变为直线的临界点时，在极限应力区出现了疲劳破坏。在载荷周期为 1×106 次以上的情况下，应力极限值不会降低。图 1 中的全部曲线均采用 B10 寿命表示（失效率为 10％)，而 RBHT（级别 10.9）具有 90 MPa 的耐久极限应力。因此，在设计螺钉接头时，在结构上，应该把螺杆的轴向应力控制在 90MPa 以下[4-5]。

5 修正古德曼曲线

一般来说，只有绝对极限区域影响疲劳强度，而平均应力区域则与疲劳程度没关系。但对以 RAHT 工艺加工的固定件，随着平均应力的降低，允许的应力区也随之增大。随着平均应力区的增大，允许的应力区随之减小。平均应力区域是预紧机构力的函数，预紧力越大，平均应力范围也就越大。因此，使用上述方法修正古德曼曲线，得到的古德曼曲线如图 2 所示，并描绘了内部应力区域与平均应力之间的关系。因此，对于存在潜在疲劳问题的工程结构，应该采用 RAHT 工艺加工紧固件。

6 防止疲劳的方法

1）在产品设计时，螺钉的几何形状要避免尖锐的部位和凹槽，由于螺纹连接处底部的圆角设计，内弯曲半径是连接处的内力最集中的部位，因此，设计的圆角半径越大，效果越好。另外，螺钉联接根部的内切圆半径也要尽量大。2）对于主要的螺栓，推荐采用 MJ 型螺纹，以增加其疲劳强度，同时螺丝扣也应轧压而不是直接使用机加工技术。由于切割螺纹会损伤基底金属板材，使根部更易产生断裂现象。轧压螺纹的牙根部位被挤压后会得到更大的抗拉强度。而切割螺纹也往往在机械加工后有初始断裂。另外，与 RBHT 工艺相比，用 RAHT 工艺加工的螺纹具有更好的疲劳寿命。然而，RAHT 过程相对于 RBHT 过程成本更高，更难以实现。使用 RAHT 工艺加工螺纹，在螺栓连接的下面，内切圆半径也经常发生断裂。因此，为了获得最大的疲劳强度，必须在接头下面的直径范围内增大螺栓。3）较长的螺钉能够减少循环应力，因而减小了联接副的受力比，也减小了在螺钉上的应力强度，延长了螺钉的寿命。另外，张力比的增大会在夹具上产生较大的循环载荷，从而影响其使用寿命。4）应当减少对螺栓接头的腐蚀。腐蚀会减少使用寿命，因此，应选用合适的涂料以减少锈蚀的危害。5）要保持夹紧力。如果没有夹紧的力，在连接副中会出现间隙，从而增大螺栓的应力。因此，夹持力矩的损耗是造成螺栓连接失效的主要因素。

7 结论

从理论上分析了裂纹的形成、发展、扩展和破坏四个阶段，提出了一种防止疲劳的方法。对于存在金属疲劳的问题，应该选用经 RAHT 工艺加工的金属支架，其拉伸强度通常是螺栓的极限拉伸强度。在设计中，螺杆的几何尺寸还应避免锋利的区域和凹槽。对于主要的螺纹，推荐采用 MJ 型。应该降低螺纹接头的腐蚀，以便为螺纹的设计优化与生产过程提供帮助和指导。

参考文献：

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[2] 钟玉柱，张为波，宋祥献，等.挖掘机回转支承螺栓断裂分析与预防[J].建筑机械化，2009（7）：53- 57.

[3] 钟玉柱，张为波，宋祥献.挖掘机回转支承螺栓断裂诊断与预防 [J].建筑机械，2009（7）：97- 100.

[4] 黄嘉乐，钱锟，韩波.10.9 级高强螺栓头部断裂原因分析[J].理化检验—物理分册，2019（10）：718- 721；729.

[5] 韩志良，马红卫，丁燕君.高强度螺栓断裂失效分析[J].理化检验—物理分册，2003（9）：477- 480.

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