不同應(yīng)力幅下高強(qiáng)螺栓的疲勞破壞特征研究

楊　旭,王亞兵，雷宏剛

(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024;2.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100102)

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不同應(yīng)力幅下高強(qiáng)螺栓的疲勞破壞特征研究

楊旭1,王亞兵2，雷宏剛1

(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024;2.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100102)

摘要:對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架中M22高強(qiáng)螺栓的疲勞性能展開了相關(guān)的理論與試驗(yàn)研究。利用穩(wěn)定可靠的疲勞試驗(yàn)加載裝置和Amsler疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)高強(qiáng)螺栓的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn),并通過對(duì)高強(qiáng)螺栓疲勞破壞斷口宏觀照片和微觀照片的分析,探討螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架中高強(qiáng)螺栓疲勞破壞機(jī)理。

關(guān)鍵詞:高強(qiáng)螺栓;疲勞試驗(yàn);應(yīng)力幅;疲勞斷口

隨著各類建筑的不斷興建，大跨度建筑結(jié)構(gòu)得到迅速發(fā)展,其中平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是此類建筑中最常用的空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種超靜定的空間結(jié)構(gòu),其受力合理、整體性好、美觀簡單、空間剛度大、抗震性能良好、適合大跨度結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn),近幾十年來在國內(nèi)迅速發(fā)展。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不僅大規(guī)模運(yùn)用于大型公共建筑,對(duì)于工業(yè)廠房建筑,以螺栓球節(jié)點(diǎn)為主的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也已經(jīng)發(fā)展成為主流。然而在其得到廣泛運(yùn)用的同時(shí),由人為或自然因素造成的事故時(shí)有發(fā)生,特別是高強(qiáng)螺栓破壞是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)破壞的主要誘因。鑒于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)常應(yīng)用于大型建筑,破壞一旦發(fā)生造成的損失將不可估量[1]。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)疲勞破壞的最薄弱環(huán)節(jié)不是桿件而是節(jié)點(diǎn),而節(jié)點(diǎn)連接所用的高強(qiáng)螺栓存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象[2]。靜荷載作用下,高強(qiáng)螺栓不易破壞,網(wǎng)架承受反復(fù)荷載時(shí)(如部分懸掛吊車工業(yè)廠房的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)),高強(qiáng)螺栓的受拉承載力將大大降低,因而軸心受拉的高強(qiáng)螺栓在交變荷載的作用下必須考慮其疲勞問題[3-5]。我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中規(guī)定，“直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接,當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于或等于5×104次時(shí),應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算”。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的疲勞問題成為國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題,目前國內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)部分型號(hào)的高強(qiáng)螺栓的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn),得出了不同應(yīng)力幅下螺栓的疲勞壽命,為螺栓的疲勞設(shè)計(jì)提供一定的參考[7-9]。本文將結(jié)合S-N曲線法,對(duì)懸掛吊點(diǎn)處M22高強(qiáng)螺栓的疲勞性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究,揭示了其疲勞破壞機(jī)理。

1試驗(yàn)基本情況

1.1M22高強(qiáng)螺栓與螺栓球的基本性能指標(biāo)

螺栓材質(zhì)為40 Cr,性能等級(jí)為10.9 s[10];為了提高螺栓球的利用率,在每個(gè)直徑為150 mm的螺栓球上對(duì)開三對(duì)孔徑為22的絲扣,孔徑相同[11],如圖1所示。

圖1　螺栓球試件Fig.1　Bolt ball specimen

1.2試驗(yàn)裝置及測點(diǎn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器為Amsler1200型脈沖疲勞試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)加荷裝置為自平衡裝置,兩邊為千斤頂,中間為試件。兩邊千斤頂?shù)搅褐行牡木嚯x一致,壓力相同；上下兩個(gè)套管分別用銷釘與支座連接,拆裝方便,保證螺栓為豎向受力。

1.3加載制度

1.3.1荷載等級(jí)的確定

本次拉壓疲勞試驗(yàn)的荷載等級(jí)應(yīng)力比(最小荷載與最大荷載之比)均為0.6,筆者以此3個(gè)應(yīng)力幅作為變量進(jìn)行加載,見表1。

表1　疲勞試驗(yàn)荷載等級(jí)

1.3.2試驗(yàn)過程

利用起重機(jī)將試件安裝在加載裝置上,為了保證高強(qiáng)螺栓處于單向受拉狀態(tài),安裝過程中要保證加載梁、千斤頂、試件均在一個(gè)平面,避免在疲勞加載過程中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象[12-13]。安裝完畢后,開啟Amsler疲勞試驗(yàn)機(jī),當(dāng)最小應(yīng)力對(duì)應(yīng)的刻度盤達(dá)到指定數(shù)值穩(wěn)定后,按下脈沖按鈕,開始增加最大應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的刻度盤的數(shù)值,在此過程中脈沖頻率保持在195 rad/min。當(dāng)加載到最大應(yīng)力所需的數(shù)值后,增加脈沖頻率,本次試驗(yàn)一般在325 rad/min左右[14]。脈沖增加到指定數(shù)值后,摁下慢速進(jìn)油按鈕,疲勞試驗(yàn)機(jī)開始平穩(wěn)運(yùn)行,直至試件破壞,停機(jī)。為了在最短的時(shí)間內(nèi)完成試驗(yàn),螺栓球上下各安裝一個(gè)螺栓桿試件進(jìn)行試驗(yàn),采用成對(duì)加荷方法,一次對(duì)兩個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)；在同一試驗(yàn)組中,若循環(huán)中有一端試件破壞，則取下破壞桿件并按照試驗(yàn)順序換入下一根螺栓桿試件繼續(xù)加載,使尚未破壞的另一試件所承受的荷載與停機(jī)前相同,繼續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)直至疲勞破壞。本次疲勞試驗(yàn)的換裝桿件順序記錄如表2所示。

表2　疲勞試件試驗(yàn)順序

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1高強(qiáng)螺栓常幅疲勞破壞試驗(yàn)結(jié)果

本次拉壓疲勞試驗(yàn)共9個(gè)M22高強(qiáng)螺栓,其中有7個(gè)發(fā)生常幅疲勞破壞,2個(gè)發(fā)生變幅疲勞破壞;常幅疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表3。

已有的疲勞試驗(yàn)表明,對(duì)普通鋼材,當(dāng)應(yīng)力比為定值時(shí),構(gòu)件的疲勞壽命N的對(duì)數(shù)值與其應(yīng)力幅的對(duì)數(shù)值成線性關(guān)系,即lgN=A+BlgΔσ,稱之為S-N曲線[15]。將本文得到的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入通用曲線(S-N曲線)中進(jìn)行擬合,并對(duì)變量之間的關(guān)系進(jìn)行線性相關(guān)檢查,得出兩個(gè)變量曲線lgN與lgΔσ的線性相關(guān)系數(shù)r.經(jīng)計(jì)算,本試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)大于α=0.01水平下的相關(guān)系數(shù)最小值,lgN與lgΔσ的線性相關(guān)顯著。計(jì)算方程見式(1),試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布圖如圖2所示。

表3　高強(qiáng)螺栓常幅疲勞試驗(yàn)結(jié)果

lgN=10.843 5-2.487 6lg[Δσ]±0.718 8 .

(1)

r=-0.849 4,[Δσ]2×106=34.44 MPa .

圖2　本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布圖Fig.2　The paper’s test data distribution

從圖2可以看出,進(jìn)行常幅拉壓疲勞試驗(yàn)的M22-1-1，M22-1-2，M22-1-3，M22-2-1，M22-2-2，M22-2-3，M22-3-1，M22-3-2，M22-3-3的試驗(yàn)值均分布在雙曲線離散帶下方,其疲勞承載力遠(yuǎn)低于普通鋼材。究其原因?yàn)?高強(qiáng)度螺栓在熱處理及硬化過程中,碳元素與氮元素逐漸析出,與鐵元素生成堅(jiān)硬的化合物,增加鋼材強(qiáng)度的同時(shí)降低了鋼材的塑性和韌性,同時(shí)也降低了鋼材的疲勞強(qiáng)度。

2.2高強(qiáng)螺栓在常幅疲勞荷載作用下的破壞模式及螺栓桿斷口形態(tài)分析

高強(qiáng)螺栓的斷口保留了整個(gè)斷裂過程的所有痕跡,記錄有大量的疲勞斷裂信息。試驗(yàn)表明,高強(qiáng)螺栓具有明顯區(qū)別于其他任何性質(zhì)斷裂斷口形貌的特征,這些特征受材料性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)等因素的影響。對(duì)其斷裂斷口分析是研究高強(qiáng)螺栓疲勞過程、分析疲勞失效原因的重要方法[16],本文對(duì)M22高強(qiáng)螺栓在常幅疲勞外力作用下破壞斷口宏觀照片及微觀照片進(jìn)行分析,探究螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架中高強(qiáng)螺栓的疲勞破壞機(jī)理。

2.2.1M22高強(qiáng)螺栓疲勞破壞的宏觀特征

本試驗(yàn)中高強(qiáng)螺栓試件主要有以下兩種破壞形式:

1) 高強(qiáng)螺栓螺桿位于螺栓球表面下第一個(gè)螺紋處斷裂。這種破壞形式是本次疲勞試驗(yàn)產(chǎn)生的主要破壞形式,由于高強(qiáng)螺栓螺紋處的有效截面積最小,是螺栓在拉力作用下的受力薄弱區(qū),應(yīng)力較大,易產(chǎn)生疲勞破壞;另外,由于制造誤差產(chǎn)生的螺桿軸線與螺栓球內(nèi)部的螺母軸線不重合導(dǎo)致的初偏心等因素是螺栓產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力在螺栓球表面下第一個(gè)絲扣處最大。

圖3　試件宏觀斷口圖Fig.3　Specimen macroscopic fracture

2) 高強(qiáng)螺栓桿根部斷裂。這種破壞形式在本次試驗(yàn)中只在M22-2-4上發(fā)生過一次,觀察斷口形態(tài)可以看出,該螺栓在該處存在較為明顯的宏觀初始缺陷,是導(dǎo)致此種疲勞破壞的主因。部分高強(qiáng)螺栓的常幅疲勞破壞斷口如圖3所示。其中,M22-1-1宏觀斷口如圖3-a所示,該高強(qiáng)螺栓在螺帽與螺桿過渡圓弧處斷裂,疲勞源在斷口下部,疲勞區(qū)光滑且顏色較暗,裂紋逐漸向左上方擴(kuò)展,擴(kuò)展區(qū)面積較小,擴(kuò)展區(qū)面積約為總面積的30%,瞬斷區(qū)位于斷口左上部,斷裂時(shí)形成一個(gè)較大的凹槽；M22-2-1宏觀斷口如圖3-b所示,該高強(qiáng)螺栓在螺帽與螺桿過渡圓弧處斷裂,疲勞源在斷口下部稍偏右,疲勞區(qū)光滑且顏色較暗,逐漸向左上方擴(kuò)展,擴(kuò)展區(qū)面積約為總面積的50%,非常光滑,瞬斷區(qū)位于斷口左上部,在距離邊緣附近形成一個(gè)小的凹槽；M22-3-1宏觀斷口如圖3-c所示,該高強(qiáng)螺栓在螺帽與螺桿過渡圓弧處斷裂,疲勞源在斷口下部稍微偏右,疲勞區(qū)非常光滑,裂紋逐漸向左上方擴(kuò)展,擴(kuò)展區(qū)面積較大,約占總面積的70%,在擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)交界處形成許多小的晶粒凸起,瞬斷區(qū)位于斷口左上部,斷裂時(shí)形成一個(gè)較大的凹槽,并伴有臺(tái)階形成。

高強(qiáng)螺栓的疲勞破壞有如下特點(diǎn):

1) 疲勞裂紋是由于高強(qiáng)螺栓構(gòu)件表面難免存在缺陷而產(chǎn)生,特別是在螺桿表面螺紋處,構(gòu)件截面尺寸突變,容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而成為高強(qiáng)螺栓的疲勞源。高強(qiáng)螺栓的疲勞源區(qū)的斷口形態(tài)比較平坦、光亮,這是由于裂紋在源區(qū)的擴(kuò)展速度緩慢,裂紋表面受到反復(fù)擠壓,摩擦次數(shù)較多。

2) M22螺桿疲勞裂紋的擴(kuò)展主要分為切向擴(kuò)展階段和正向擴(kuò)展階段。當(dāng)疲勞裂紋在零件表面形成后,立即沿著與主應(yīng)力方向呈45°角的滑移面向金屬內(nèi)部擴(kuò)展,切向擴(kuò)展深度大約有100 μm左右。裂紋沿切向擴(kuò)展一定距離后,改變方向沿與正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展,其裂紋以較均勻的速率穩(wěn)定向前擴(kuò)展。隨著擴(kuò)展深度的增加,剩余的工作截面減少,應(yīng)力逐漸增大,裂紋加速擴(kuò)展直至發(fā)生瞬斷。疲勞裂紋區(qū)是判斷疲勞斷裂最重要的特征區(qū)域。對(duì)于球形網(wǎng)架,由于實(shí)際工程中吊車的啟動(dòng)停歇和偶然過載等因素,螺栓內(nèi)部應(yīng)力大小或狀態(tài)發(fā)生變化,在構(gòu)件的破壞斷口均可留下塑性變形的疲勞弧線,這種弧線常出現(xiàn)在實(shí)際機(jī)件的疲勞斷口中,在本試驗(yàn)的試件疲勞斷口卻很難看見宏觀的疲勞弧線,只能通過掃描電鏡進(jìn)行觀察。從宏觀斷口可以看出,高強(qiáng)螺栓的疲勞斷口表面由于多次反復(fù)壓縮與摩擦,使得該區(qū)形成光滑且呈瓷質(zhì)狀結(jié)構(gòu)表面。

3) 高強(qiáng)螺栓瞬斷區(qū)面積較小,位置一般在疲勞源區(qū)的對(duì)側(cè),晶粒粗糙發(fā)亮,形狀很不規(guī)則,在靠近螺栓邊緣處經(jīng)常形成剪切唇,呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征。

2.2.2高強(qiáng)螺栓疲勞破壞的微觀特征

圖4為對(duì)M22-1-1的斷口不同特征區(qū)域放大1 000倍的圖片。從圖中可看出，源區(qū)比較光滑顏色較暗；瞬斷區(qū)粗糙不平,形狀很不規(guī)則,但是顏色很亮。圖5為對(duì)M22-3-1的斷口不同特征區(qū)域放大1000倍的圖片。由圖可以看到，源區(qū)光滑但顏色較暗。疲勞條紋從左上方逐步向右下方擴(kuò)展,條紋間距逐漸增大,存在許多晶粒被撕裂的錯(cuò)位孔洞。瞬斷區(qū)晶粒較粗糙,有突然斷裂留下的撕裂痕跡,呈典型的脆性斷裂形態(tài)。

圖5　M22-3-1斷口不同特征區(qū)域放大1 000倍Fig.5　M22-3-1 Fracture 1 000 magnification of the different characteristics of the region

對(duì)比掃描電鏡結(jié)果可以看出,不同應(yīng)力幅下高強(qiáng)螺栓破壞有共同的特點(diǎn)：裂紋擴(kuò)展區(qū)相對(duì)來說比較光滑,存在放射性或者貝紋狀的裂紋,以疲勞源為中心向斷裂區(qū)擴(kuò)展,且在靠近疲勞源區(qū)的地方,擴(kuò)展裂紋較密,其擴(kuò)展速度較慢；而在靠近瞬斷區(qū)的裂紋經(jīng)常顯得稀疏,擴(kuò)展速度較快。然而在不同應(yīng)力幅作用下,高強(qiáng)螺栓斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積大小不一,疲勞弧線間距也有所不同：M22-1-1的應(yīng)力幅較大,其疲勞區(qū)較小,疲勞弧線間距較大且不明顯,如圖4-b所示;隨著應(yīng)力幅的降低,M22-3-1的疲勞區(qū)域面積增加,疲勞弧線間距小且較為明顯,如圖5-b所示。當(dāng)斷口存在多個(gè)疲勞源,在不同擴(kuò)展區(qū)交界的地方會(huì)形成大小不一的撕裂臺(tái)階。

3結(jié)論

1) 高強(qiáng)螺栓在熱處理及硬化過程降低了鋼材的塑性和韌性,同時(shí)也降低了鋼材的疲勞強(qiáng)度,在拉壓疲勞荷載作用下,高強(qiáng)螺栓呈現(xiàn)脆性破壞特征。

2) 在高強(qiáng)螺栓拉壓疲勞破壞斷口可以看出,應(yīng)力幅較小,則裂紋擴(kuò)展區(qū)較大;反之,隨著應(yīng)力幅的提高,裂紋擴(kuò)展區(qū)面積逐漸減小。

3) 在常幅拉壓疲勞破壞下,高強(qiáng)螺栓的近疲勞源區(qū)疲勞弧線較細(xì)密,表明裂紋擴(kuò)展較慢;遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)則疲勞弧線較稀疏,表明裂紋擴(kuò)展較快。在不同應(yīng)力幅作用下,高強(qiáng)螺栓斷口對(duì)應(yīng)位置的疲勞弧線間距也有所不同,應(yīng)力幅較大,疲勞弧線間距較大且不明顯;隨著應(yīng)力幅的降低,疲勞弧線間距小且較為明顯。

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(編輯：賈麗紅)

Research on the Fatigue Damage Characteristic of High-strength Bolt under Different Stress Amplitude

YANG Xu1,WANG Yabing2,LEI Honggang1

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ChinaCanstructionFirstDivisionGroupConstruction&DevelopmentCo.Ltd.,Beijing100102,China)

Abstract:In this paper, the research on fatigue property of M22 high-strength bolt in grid structure with bolt-sphere joint was carried out. The Amsler fatigue testing device with stable and reliable performance was used for testing the fatigue property of high-strength bolts.The fatigue failure mechanism of high-strength bolt in grid structure with bolt-sphere joint was proposed through analyzing the macroscopic and microscopic graphs of high-strength bolt fatigue fracture.

Key words:high-strength bolt;fatigue test;stress amplitude;fatigue fracture

文章編號(hào):1007-9432(2016)02-0239-05

*收稿日期：2015-09-06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目:在懸掛吊車作用下空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)疲勞問題的深入研究(51178286)

作者簡介：楊旭(1987-),男,山西臨汾人，博士生，主要從事鋼結(jié)構(gòu)疲勞研究，(E-mail)ganlanshu2054@163.com通訊作者：雷宏剛，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)的研究，(E-mail)Lhgang188@126.com

中圖分類號(hào):TU55

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.022