螺栓疲劳失效预防方法探析

摘 要：在很多工程机械中，重要部件都采用了高强度螺栓连接。高强螺栓由于其高可靠性和预紧性能好，在服役中容易出现断裂故障。在工程机械中，由于连接螺栓的损坏，将导致更大的机械故障。为此，本文从疲劳失效过程入手，分别对疲劳失效过程、疲劳因子S-N关系和修正后的古德曼曲线分别进行研究，提出避免疲劳因素对螺纹疲劳损伤的影响及有效避免疲劳的措施。通过这些方法，可以有效延长螺栓的使用寿命，提高工程机械的整体可靠性和安全性。

关键词：工程机械；高强度螺栓；疲劳失效；预防方法

在工程机械中，螺栓的疲劳失效是最常见的一种故障形式。材质承受的压力不得超出材质所能承受的最大抗张强度，否则将导致扣件承受很大的压力并导致破坏。这些破坏是因为在一定时期之内，反复地施加载荷所致。为了有效预防螺栓疲劳失效，需要从设计和制造阶段就开始考虑疲劳寿命。合理选择螺栓材料和热处理工艺，优化螺纹设计和表面处理，都能显著提高螺栓的抗疲劳性能。此外，在安装和使用过程中，严格控制预紧力，避免过载和冲击载荷，也是延长螺栓寿命的重要措施。定期检查和维护，及时发现和处理潜在的疲劳裂纹，可以有效防止突发性故障，保障工程机械的安全可靠运行。

1.螺栓疲劳过程分析

螺栓的疲劳失效需具备周期性受拉载荷，超过材料极限拉伸应力，材料对材料敏感，材料自身存在缺陷。在这种情况下，裂纹的产生可以划分为裂纹萌生、裂纹发展、裂纹扩散和断裂4个阶段。导致这种现象的原因主要是由于紧固件的刮痕或其他微小的表面变形，不均匀的热处理或被浸蚀，或者是出现了氢的脆化。几乎每一种紧固件都存在着一个可能导致其断裂的可能因素，而当断裂发生时，其轴向压力将进一步促进其扩展。另外，在角隅及裂缝部位通常存在较高的应力（应力集中点），且周期内的轴向应力易引起拉断。随着各发展阶段的发展，其拉应力区（即螺栓危险截面面积）将逐步减少，从而造成在荷载作用下的应力增加。随着周期的增大，疲劳起始阶段变得很慢，而随着周期的增大，裂纹的扩展速度呈现出指数级的趋势。裂缝扩展期刚好反映了裂缝的迅速生长。在此过程中，由于拉应力区（即螺栓危险截面面积）的逐步降低，使得锚杆内的应力持续增大。如果这个压力超过了拉力的最终值，那么，在螺钉的横切面上，就会完全的断开和分离。对于此类突发事件，通常无先兆或先兆，仅靠观察断口状态来判定其是否为疲劳失效。观察断头断面，如果有一段较为光滑，就是起裂和扩展的地方。然而，由于锚杆的猝断，其断面呈粗糙状。

2.螺纹的疲劳因素S-N图分析

影响疲劳的变量有热处理、循环次数、预紧力、外部负载顺序以及腐蚀等，而这些变量可能会使疲劳失效发生变化。在同样的使用条件下，一些螺钉可能发生故障，而另一些则不会。为此，利用S-N曲线对结构进行了疲劳寿命的预报。S-N曲线显示了试验用的螺钉的破裂情况，并绘制出了随周期的变化曲线。在S-N曲线上，垂直轴代表了轴向压力，而非轴向压力。另外，结构的疲劳寿命与结构的强度、循环次数相关，而与结构的整体应力关系不大。图1所示为一根钢线的S-N曲线。RBHT是一种先轧制后进行热处理的方法；RAHT是一种在轧制前进行热处理的方法。在计算过程中，采用的是线的张力应变区间：TSA=0.7854(D-0.9382P)2其中，D是以毫米为单位的螺栓的标称直径；P是以毫米表示的节距。从表1可以看出，从曲线缓和到平直的拐点就是最大受力区域，在此区域没有出现疲劳失效；加载次数大于1×106时，该值就停止下降。图1所示的是使用“B10”来算出其使用寿命（B10为10%），与之相比，RBHT线（等级10.9）具有90MPa的耐久限制应力。这样，在结构使用中，螺栓接头的轴向压力维持在低于90MPa的范围内。为改善其疲劳系数，一般采用45MPa(45MPa)，并将其疲劳安全系数（也就是疲劳因子）设定为≥2.0。

图1钢制螺纹的S-N图

4.螺栓疲劳失效预防方法

（1）在产品的结构设计上，要尽量避开棱角分明的地方及沟槽，因为在螺纹接头的底面采用了圆弧，所以，内弯的半径往往是接头受力最大的地方，所以采用较大的圆弧半径可以达到较好的效果。此外，螺纹连接处的内切圆半径应尽可能大。（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。因为切削时会对基体钢板造成损坏，使得其根部更容易出现裂纹。通过对滚轧螺纹根部进行挤制，可以获得较高的拉伸强度。而且切削线在切削后也容易产生初期裂纹。此外，采用RAHT方法生产的螺旋线，其疲劳性能优于RBHT方法。与RBHT方法相比，RAHT方法代价较大，且较难实施。采用RAHT方法进行螺旋成型时，内切圆半径也常出现在螺钉接头下方的裂纹。所以，要使连接处的直径达到最大值，就需要增加连接处的直径。（3）螺纹长度越大，其周期应力越小，从而越小，螺纹承受的压力越小，螺纹的使用寿命越长。此外，当张力比增加时，对夹紧装置造成了很大的冲击负荷，进而降低了夹紧装置的寿命。（4）应当减少对螺栓接头的腐蚀。由于腐蚀严重影响其结构的寿命，所以必须选择适当的涂层来降低其对结构的破坏。（5）应保持夹持力。当锁模力丧失时，将使连接对产生空隙，从而使螺栓受力显著增大。从而导致了锁固力的丧失，从而导致了锁固力的丧失。

结束语：

综上所述，通过对裂纹的形成、发展、延伸和破坏4个过程出发，对其进行了理论研究，并给出了相应的防治措施。对于有可能产生疲劳隐患的构件，应采用RAHT方法进行加固，其载荷为其最终承载力；在设计中，要尽量避开锋利的地方和沟槽；对于重要的螺钉，推荐采用MJ线；希望通过本项目的研究，能够对机构的结构进行合理的设计，并对其进行合理的工艺选择具有一定的参考价值。

参考文献

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