淺談緊固件疲勞失效

楊草青

摘要：螺栓疲勞斷裂在緊固件連接中發(fā)生頻率較高，通過(guò)對(duì)疲勞斷裂的的特點(diǎn)和不同工況下的斷裂的分類歸納，疲勞斷裂斷口的宏觀和微觀上的特征分析，判斷產(chǎn)生疲勞斷裂的原因，采取的避免疲勞斷裂的措施。

關(guān)鍵詞：疲勞斷裂;螺栓;失效;

緊固件連接中，螺紋緊固件為主要連接方式，螺栓斷裂失效是產(chǎn)品最主要和最具危險(xiǎn)性的失效，疲勞斷裂是螺紋緊固件主要失效方式之一，疲勞斷裂出現(xiàn)的比例高，危害性大，且是在交變載荷作用下出現(xiàn)的斷裂， 按斷裂前宏觀塑性變形的大小分類，疲勞斷裂屬脆性斷裂范疇，因此國(guó)內(nèi)外工程界均將其單獨(dú)作為一種斷裂形式加以重點(diǎn)分析研究。

1. 疲勞斷裂的定義

螺栓在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)一定循環(huán)周次后發(fā)生的斷裂稱作疲勞斷裂。

2. 疲勞斷裂的特點(diǎn)

2.1多數(shù)螺栓承受的應(yīng)力呈周期性變化稱為循環(huán)交變應(yīng)力。如活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿螺栓、氣缸蓋螺栓、主軸承蓋螺栓等。這些螺栓的失效，據(jù)統(tǒng)計(jì)60%～80%是屬于疲勞斷裂失效。

2.2 疲勞破壞表現(xiàn)為突然斷裂，斷裂前無(wú)明顯變形。不用特殊探傷設(shè)備，無(wú)法檢測(cè)損傷痕跡。除定期檢查外，很難防范偶發(fā)性事故。

2.3造成疲勞破壞的循環(huán)交變應(yīng)力一般低于螺栓的屈服極限，有的甚至低于彈性極限。

2.4螺栓的疲勞斷裂失效與材料的性能、質(zhì)量、零件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、使用條件、外界環(huán)境等眾多因素有關(guān)。

2.5很大一部分螺栓承受彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷，其應(yīng)力分布是表面最大，故表面狀況（如切口、刀痕、粗糙度、氧化、腐蝕及脫碳等）對(duì)疲勞抗力有極大影響。

3.疲勞斷裂失效的分類

根據(jù)螺栓在服役過(guò)程中所受載荷類型與大小，加載頻率的高低及環(huán)境介質(zhì)與溫度等，可將疲勞斷裂分為如下類別

3.1 由于各類疲勞斷裂壽命均是以循環(huán)周次計(jì)算，一般分為高周與低周疲勞。

（1）高周疲勞，又稱應(yīng)力疲勞，是指零件在較低的交變應(yīng)力作用下至斷裂的循環(huán)周次較高，它是最常見的疲勞斷裂，統(tǒng)稱高周疲勞。

（2）低周疲勞又稱大應(yīng)力或應(yīng)變疲勞，是指零件在較高的交變應(yīng)力作用下至斷裂的循環(huán)周次較低，稱為低周疲勞。

3.2 按其它形式分類的疲勞斷裂，包括熱疲勞、高頻疲勞、低頻疲勞、腐蝕疲勞、高溫疲勞等，均可按至斷裂循環(huán)周次的高低而納入此兩類疲勞范疇之內(nèi)。

4.疲勞斷裂失效分析

疲勞斷裂失效分析的內(nèi)容包括：分析判斷螺栓的斷裂失效是否屬于疲勞斷裂與疲勞斷裂的類別;引起疲勞斷裂的載荷類型與大小以及疲勞斷裂的起源等。疲勞斷裂失效分析的目的則是找出引起疲勞斷裂的確切原因，從而為防止同類疲勞斷裂失效再次出現(xiàn)所要采取的措施提供依據(jù)。

4.1疲勞斷裂的宏觀分析

典型的疲勞斷口按照斷裂過(guò)程的先后有三個(gè)明顯的特征區(qū)，即疲勞源區(qū) ?擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。在一般情況下，通過(guò)宏觀分析即可大致判明該斷口是否屬于疲勞斷裂 ?斷裂源區(qū)的位置 ?裂紋的擴(kuò)展方向以及載荷的類型。

（1）疲勞斷裂源區(qū)的宏觀特征及位置的判別 宏觀上所說(shuō)的疲勞源區(qū)包括裂紋的萌生與第一階段擴(kuò)展區(qū)。疲勞源區(qū)一般位于零件的表面或亞表面的應(yīng)力集中處，由于疲勞源區(qū)暴露于空氣與介質(zhì)中的時(shí)間最長(zhǎng)，裂紋擴(kuò)展速率較慢，經(jīng)過(guò)反復(fù)張開與閉合的磨損，同時(shí)在不同高度起始的裂紋在擴(kuò)展中相遇，匯合形成輻射狀臺(tái)階或條紋。因此，疲勞源區(qū)一般具有如下宏觀特征：①氧化或腐蝕較重，顏色較深;②斷面平坦、光滑、細(xì)密，有些斷口可見到閃光的小刻面;③有向外輻射的放射臺(tái)階或放射狀條紋;④在源區(qū)雖看不到疲勞弧線，但有向外發(fā)射疲勞弧線的中心。

（2）疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)的宏觀特征 該區(qū)斷面較平坦，與主應(yīng)力相垂直，顏色介于源區(qū)與瞬斷區(qū)之間，疲勞斷裂擴(kuò)展階段留在斷口上最基本的宏觀特征是疲勞弧線（又稱海灘花樣或貝殼花樣）

（3）瞬時(shí)斷裂區(qū)的宏觀特征 疲勞裂紋擴(kuò)展至臨界尺寸（即零件剩余截面不足以承受外載時(shí)的尺寸）后發(fā)生失穩(wěn)快速破斷，稱為瞬時(shí)斷裂。斷口上對(duì)應(yīng)的區(qū)域簡(jiǎn)稱瞬斷區(qū)，其宏觀特征與帶尖缺口一次性斷裂的斷口相近。

4.2疲勞斷口的微觀分析

疲勞斷裂的微觀分析必須建立在宏觀分析的基礎(chǔ)上，它是宏觀分析的繼續(xù)和深化。對(duì)斷口進(jìn)行深入的微觀分析，才能較準(zhǔn)確地判明斷裂失效的模式與機(jī)制。疲勞斷裂的微觀分析一般包括以下內(nèi)容：

（1） 疲勞源區(qū)的微觀分析

首先要確定疲勞源區(qū)的具體位置，對(duì)于多源疲勞還需判明主源與次源。其次要分析源區(qū)的微觀形貌特征，包括裂紋萌生處有無(wú)外物損傷痕跡、加工刀痕、磨損痕跡、腐蝕損傷及腐蝕產(chǎn)物、材質(zhì)缺陷等。疲勞源區(qū)的微觀分析能為判斷疲勞斷裂的原因提供十分重要信息與數(shù)據(jù)，是分析的重點(diǎn)。

（2）疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀分析

由于第一階段的范圍較小，尤其要仔細(xì)觀察其上有無(wú)疲勞條帶、韌窩、臺(tái)階、二次裂紋以及斷裂小刻面的微觀形貌。對(duì)第二階段的微觀分析主要是觀察有無(wú)疲勞條帶，疲勞條帶的性質(zhì)及條帶間距的變化規(guī)律等。搞清這些特征，對(duì)于分析疲勞斷裂機(jī)制、裂紋擴(kuò)展速度、載荷的性質(zhì)與大小等將起重要作用。

（3）瞬斷區(qū)微觀特征分析

主要是觀察韌窩的形態(tài)是等軸韌窩、撕裂韌窩還是剪切韌窩。搞清韌窩的形貌特征有利于判斷引起疲勞斷裂的載荷類型。

4.3引起疲勞斷裂的載荷類型分析

各種類型的疲勞斷裂失效均是在交變載荷作用下造成的，因此，在分析疲勞斷裂失效時(shí)，首要的是要以斷口的特征形貌來(lái)分析判斷所受載荷的類型。

（1） 反復(fù)彎曲載荷引起的疲勞斷裂

螺栓承受彎曲載荷時(shí)，其應(yīng)力在表面最大、中心最小。所以疲勞裂紋總是在表面形成，然后沿著與最大正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。彎曲疲勞斷口一般與其軸線成90°。

（2） 軸向載荷引起的疲勞斷裂

螺栓受到軸向交變載荷時(shí)，其應(yīng)力分布是螺栓的外表面遠(yuǎn)高于中心。由于應(yīng)力分布均勻，使疲勞源區(qū)的位置變化較大。源區(qū)可以在螺栓的外表面，也可以在零件的內(nèi)部，這主要取決于各種缺陷在零件中分布狀態(tài)及環(huán)境因素等。

（3） 扭轉(zhuǎn)載荷引起的疲勞斷裂

軸在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，可能產(chǎn)生一種特殊的扭轉(zhuǎn)疲勞斷口，即鋸齒狀斷口。在雙向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，在相應(yīng)各個(gè)起點(diǎn)上發(fā)生的裂紋，分別沿著±45°兩個(gè)側(cè)斜方向擴(kuò)展（交變張應(yīng)力最大的方向），相鄰裂紋相交后形成鋸齒狀斷口;在單向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下，在相應(yīng)各個(gè)起點(diǎn)上發(fā)生的裂紋只沿45°傾斜方向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，最后連接部分破斷而形成棘輪狀斷口。

4.4低周疲勞斷裂的判據(jù)

（1）宏觀特征，低周疲勞宏觀斷口除具有上述疲勞斷裂宏觀斷口的一般特征之外，還有如下特征：

①具有多個(gè)疲勞源，且往往是線源。

②瞬斷區(qū)的面積所占比例大，甚至遠(yuǎn)大于疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的面積。

③疲勞弧線間距加大，穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的棱線（疲勞二次臺(tái)階）粗且短。

④整個(gè)斷口高低不平，隨著斷裂循環(huán)數(shù)的降低，斷口形貌愈來(lái)愈接近靜拉伸斷口。

（2） 微觀特征，由于宏觀塑性變形較大，低周疲勞斷裂微觀斷口會(huì)有靜載斷裂的某些特征。

5.提高疲勞抗力的措施

綜上，為防止疲勞斷裂失效，須從優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理選材和提高零件表面抗疲勞性能等方面入手。

5.1優(yōu)化設(shè)計(jì)

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)是提高零件疲勞抗力的關(guān)鍵。螺栓不可避免地存在圓角 ?孔及螺紋等應(yīng)力集中部位，在不影響螺栓使用性能的前提下，應(yīng)盡量選擇最佳結(jié)構(gòu)，使截面圓滑過(guò)渡，避免或降低應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定之后，所采用的加工工藝是決定零件表面狀態(tài)，流線分布和殘余應(yīng)力等的關(guān)鍵因素。

5.2合理選材

合理選材是決定零件具有優(yōu)良疲勞抗力的重要因素，除盡量提高材料的冶金質(zhì)量外，還應(yīng)注意材料的強(qiáng)度 ?塑性和韌性的合理配合。

5.3螺栓表面強(qiáng)化工藝

為了提高零件的抗疲勞性能，發(fā)展了一系列的表面強(qiáng)化工藝，噴丸強(qiáng)化和螺紋滾壓強(qiáng)化工藝等。實(shí)踐表明，這些工藝對(duì)提高螺栓的抗疲勞性能效果非常明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]緊固件生產(chǎn)技術(shù)檢驗(yàn)及失效分析 ? 機(jī)械工業(yè)出版社 ? ?2016

[2]王新忠 ? 螺栓的疲勞斷裂分析 ? ?中國(guó)教育與教學(xué) ? ?2006