基于工程機械預防螺栓疲勞失效方法的研究

潘 鋒 戢守良

（徐州徐工筑路機械有限公司，徐州 221300）

螺栓疲勞失效是導致工程機械故障的主要原因之一。材料受到的應力不應超過材料的極限拉伸強度，而疲勞會使緊固件受到較大的應力而發生失效的情況。這種失效是由于螺栓在一段時間內多次重復受力而產生的[1-3]。

1 螺栓疲勞過程分析

螺栓產生疲勞斷裂必須滿足4 個條件，即周期性拉伸負載、高于材料的極限拉伸應力、易受影響的材料以及材料本身內部有缺陷。一旦滿足這些條件，疲勞發生過程就可分為裂紋萌生、裂紋發展、裂紋擴散和斷裂4 個階段[4]。

裂紋萌生中常見的誘因有緊固件的劃痕或其他一些較小的表面變形、熱處理工藝不一致或發生腐蝕以及材料發生氫脆等。幾乎所有緊固件都有潛在的疲勞失效誘因，一旦開始產生裂紋，軸向應力會促使裂紋發展。此外，尖角和裂紋處的應力一般很高（應力集中點），而周期性的軸向應力會導致螺栓材料發生撕裂。裂紋每個階段都可能會增長，而拉應力區域（即螺栓危險截面面積）會逐漸減小，導致固定負載下的應力加大。疲勞發生過程開始比較緩慢，但裂紋長度隨循環次數的增加呈指數增長[5]。

裂紋擴散階段恰好描述了裂紋的快速增長過程。該階段的拉應力區域（即螺栓危險截面面積）逐漸減小，會導致螺栓中的應力不斷增加。當此應力高于極限拉伸載荷時，螺栓會在其螺桿橫截面范圍內斷裂并徹底斷裂分開。這種突然斷裂的情況往往沒有任何征兆和預警，只能通過分析斷裂橫截面的情況，目視判斷是否為疲勞斷裂。查看螺栓斷裂的橫截面時，若有一部分比較平滑，如圖1 所示，則為裂紋萌生并緩慢傳播的區域。而螺栓突然斷裂產生的斷裂截面積為粗糙面。

2 螺紋的疲勞因素S-N 圖分析

影響疲勞的變量有熱處理、循環次數、預緊力、外部負載順序以及腐蝕等，而這些變量可能會使疲勞失效發生變化。在相同的應用環境下，有些螺栓會失效，有些螺栓不會失效。因此，本文通過S-N 圖預測螺栓疲勞壽命。S-N圖是測試螺栓斷裂的圖表，描繪了應力范圍與循環次數的關系圖。應注意的是，S-N 圖中的縱軸表示的是軸向應力范圍，而不是軸向應力。此外，疲勞與螺栓應力和周期數有關，但與螺栓的總應力無關。圖2 顯示了鋼制螺紋的S-N 圖。圖2 中，RBHT 表示先滾制螺紋后熱處理的工藝；RAHT表示先熱處理后滾制螺紋的工藝。應力范圍取螺紋拉伸應力區域TSA：

式中，D 為螺栓公稱直徑，單位為mm；P 為螺距，單位為mm。

圖1 螺栓斷裂的橫截面

由圖2可知：曲線平緩變為直線的拐點為極限應力范圍，即在該極限應力范圍內不會產生疲勞破壞；當負載循環超過1×106次后，應力極限將不再降低。圖2 中的曲線是采用“B10”計算壽命（B10 是10%的失效率），而RBHT螺紋（10.9 級）的耐久性極限應力為90MPa。因此，螺栓連接設計時，在結構性應用中將螺栓的軸向應力范圍保持在90MPa 以下。為了提高疲勞系數，發動機工程師通常使用45MPa 作為高頻率循環應力的極限，使疲勞安全系數（即疲勞系數）≥2.0。

圖2 鋼制螺紋的S-N 圖

3 修正后的古德曼曲線

通常，零件會同時承受軸向應力和彎曲應力，且彎曲疲勞所產生的損害要小于軸向疲勞。為了找出該應力范圍值，首先將彎曲應力范圍乘以系數0.8，然后將單獨的軸向應力范圍加上彎曲應力產生的軸向應力，最后將總的應力范圍值與軸向疲勞曲線進行比較，找出應力疲勞壽命。

一般情況下，只有應力范圍會影響疲勞，而平均應力與疲勞無關。但是，對于RAHT 工藝處理的緊固件，當平均應力較低時，其許用應力范圍較大；當平均應力較高時，其許用應力范圍變小。此外，平均應力只與預緊力構成函數關系，即預緊力越高，平均應力越高，反之亦然。根據上述內容修正古德曼曲線，修正后的古德曼曲線如圖3 所示，繪制了應力范圍與平均應力的關系圖，顯示了它們的依存關系。因此，存在潛在疲勞問題的結構中，宜使用RAHT 工藝處理的緊固件。圖3 繪制的曲線假定平均負載為螺栓的極限強度。

圖3 修正后的古德曼曲線

4 預防疲勞的方法

第一，設計時，螺栓的幾何形狀應避免有尖銳的區域或凹槽。因為螺栓頭底下的圓角半徑為螺栓應力集中的區域，所以該圓角半徑越大越好。此外，螺栓牙根的半徑也應盡可能大。

第二，在關鍵螺栓上，建議使用MJ 螺紋以提高疲勞強度，且螺紋應采用滾制處理而不采用機加工切削處理。圖4顯示了滾制螺紋與機加工切削螺紋的紋路。切削螺紋破壞了母材材料，使根部容易形成裂紋。滾制螺紋的牙根部經過壓制，強度更高。切削后的螺紋在機加工后，通常會有初始裂紋，因此關鍵點螺栓螺紋不能采用切削處理。此外，使用RAHT 處理的螺紋比RBHT 處理的螺紋更能增加疲勞壽命。但是，與RBHT 工藝相比，RAHT 工藝的成本更高且實現更困難。將RAHT 工藝應用于螺紋后，失效位置通常會發生在螺栓頭底下的半徑處。因此，為了獲得最大的疲勞強度，應擴大螺栓頭底下的半徑。

圖4 滾制螺紋與切削螺紋的紋路

第三，較長的螺栓可以降低循環應力，降低連接副的受力比，從而降低螺栓所承受的應力，延長螺栓使用壽命。此外，受力比的提高還會使負載在夾持件上產生更多的循環，影響其使用壽命。長螺栓和短螺栓受力對比，如圖5所示。

圖5 長螺栓和短螺栓受力對比

第四，螺栓連接的腐蝕應降至最低。腐蝕縮短使用壽命，因此應選擇合適的涂層，以最大程度地減少腐蝕的影響。

第五，應保持夾持力。一旦失去夾持力會導致連接副出現間隙，大大增加螺栓的應力。因此，夾持力的損失是螺栓連接失效的主要原因。

5 結語

通過裂紋萌生、裂紋發展、裂紋擴散和斷裂4 個階段的理論分析，提出預防疲勞的方法。例如，存在潛在疲勞問題的結構中，宜使用RAHT 工藝處理的緊固件，平均負載為螺栓的極限強度；設計時，螺栓的幾何形狀應避免有尖銳的區域或凹槽；關鍵螺栓上，建議使用MJ 螺紋；螺栓連接的腐蝕應降至最低，以期為螺栓的設計優化和生產過程提供幫助和指導。