基于拉剪復合載荷下鈦合金螺栓力學性能的試驗研究*

高學敏 ，閆 路，何婭梅，馮德榮 ，馮韶偉

（1. 河南航天精工制造有限公司，信陽 464000；2.河南省緊固連接技術重點實驗室，信陽 464000；3.北京宇航系統工程研究所，北京 100076；4.航空工業成都飛機設計研究所，成都 610000）

一代材料決定一代裝備，武器裝備性能的提高越來越依賴于先進材料和先進工藝。其中鈦合金材料由于其重量輕、韌性好、強度高、耐腐蝕等特點，廣泛運用于航空航天領域。同時航空航天型號上的機械連接也大量采用鈦合金緊固件，使用量少則上萬件，多則百萬件，以“數以萬計、類以群分、連結構、接系統”，形成緊固連接系統，鑄就型號的鋼筋鐵骨，保障了裝備型號的質量可靠性。但在緊固件服役過程中，損傷和失效并非都是由單一載荷引起，經常是由多重載荷共同作用引起，而拉伸–剪切復合載荷就是其受力形式之一，隨著新材料的廣泛使用，復合載荷的測試變得越來越重要[1–3]。

1729年，根據杠桿原理制成的第一臺材料力學測試試驗機在法國問世，而我國的力學性能測試起步比較晚，1930年北洋大學教授鄧曰研制出我國第一臺材料力學性能測試裝置。隨著科學技術的不斷發展，我國的試驗機技術與國外的差距不斷縮小，力學性能測試理論方面也進行了大量的研究。其中拉伸性能測試作為最早和最典型的測試手段[4–7]被廣泛應用，葉麗燕等[8]研究了拉伸速率對不銹鋼材料拉伸性能的影響，分析了馬氏體轉變與拉伸速率的關系；孫瑞雪等[9]開展了不同熱處理狀態下應變速率對鋁合金的行為研究，得出5083鋁合金在低應變速率條件下以剪切斷裂為主，高應變速率條件下以穿晶斷裂為主。另外剪切試驗也是作為材料評估的一種重要手段，西北工業大學吳建軍等[10]開展了金屬材料剪切試驗方法研究，概述了各種剪切試驗的試驗方法、優缺點及應用現狀；長安大學杜強等[11]開展了復合板材雙剪切試驗方法與裝置研究，研究了復合板材雙剪試驗方法，設計了雙剪試驗裝置，并進行了雙剪試驗，分析了破壞形態和力學性能。

可見，國內學者在對材料在受單一載荷下（拉伸、剪切等）的分析與研究做了大量的工作，并建立了理論公式與分析模型，但對材料在受拉伸–剪切復合載荷下的試驗方法和失效模式研究較少。本文將采用電子萬能試驗機對國家某重點型號用螺栓在受拉伸–剪切復合載荷下的試驗方法和失效特性進行研究，并建立剪切過程失效的分析模型，其研究成果不僅保障國家型號飛機用緊固件的質量可靠性，也具有重要學術理論價值和廣泛的應用前景。

1 試驗理論模型

1.1 拉伸理論分析

拉伸試驗是材料力學性能試驗最基本的試驗方法，典型塑性金屬材料拉伸過程可以分為彈性、屈服、強化、局部變形4個階段，通過測試材料的應力–應變曲線（圖1），獲得材料基本的力學性能指標，并作為后續結構設計時選材和強度計算的主要依據。

材料的力學性能指標與試樣標距L0和原始截面積A有關，為了消除試樣尺寸對材料力學性能的影響，引入了應力σ和應變ε兩個參數，便可以得到與標距L0和原始截面積A無關的應力σ、應變ε關系及曲線圖。應力σ和應變ε可分別由式（1）、式（2）求得。

其中，F為作用在試樣上的拉伸力；ΔL為試樣標距的伸長量；E為試樣材料的彈性模量，是材料的固有特性，即為σ–ε曲線（圖1）中彈性階段直線的斜率。

圖1 典型塑性材料的應力應變曲線圖Fig.1 Stress–strain curves of typical plastic materials

1.2 剪切理論分析

剪切試驗，即在靜壓縮或拉伸力作用下，通過剪切試驗裝置使試件垂直于其縱軸的一個或兩個橫截面受剪切直至斷裂，以測定其抗剪性能的試驗。常用的試驗方法有雙剪、單剪等，如圖2和3所示。

圖2 單剪試驗受力模型Fig.2 Stress model of single shear test

材料的剪切性能與試樣的剪切面積A有關，在單剪試驗中，由受力平衡可知，剪切面m–m上的剪切力FQ=F；在雙剪試驗中，剪切面m–m上的剪切力FQ=F/2。則剪切應力τ為：

1.3 拉伸–剪切理論分析

拉伸–剪切復合載荷通過垂直加載使力施加于試樣之上。本課題是將試樣兩端固定夾持，試樣兩端相當于各有一個限制5個自由度的約束，在X方向自由度不受限，可以產生拉伸和壓縮力，受力如圖4所示。

如圖4（b），在試樣中心附近有兩組對稱的均布力，在小變形情況下，均布力簡化為在m–m剪切面上的一對對稱力和一個力偶。

圖3 雙剪試驗受力模型Fig.3 Stress model of double shear test

圖4 拉剪復合載荷試驗受力模型Fig.4 Stress model of double shear test

2 試驗方法與材料

2.1 試驗方法

拉伸–剪切試驗裝置如圖5所示，試驗裝置由兩個緊固加載單元組成，用于配合使用以對鈦合金螺栓試樣進行拉剪復合試驗，各緊固加載單元分別包括一個轉接桿、一個緊固夾塊和在前后方向上間隔布置的兩個連接側板，緊固夾塊上設有試樣穿孔，用于緊固穿裝鈦合金螺栓試樣，所述緊固夾塊與兩個連接側板緊固裝配，轉接桿與兩連接側板連接，以使得轉接桿的加載施力方向指向鈦合金螺栓試樣的軸心；各緊固加載單元中，緊固夾塊與相應的兩連接側板可拆緊固裝配。在各緊固加載單元中，緊固夾塊和相應的兩連接側板可拆緊固裝配，這樣可以不同規格類型的螺栓選取不同的緊固夾塊，只要更換夾塊即可，不需要更換整個緊固加載單元，可以有效降低成本。

圖5 拉伸–剪切試驗裝置Fig.5 Tension–shear experimental device

試驗裝置通過連接微機控制電子萬能試驗機施加力，變換轉接桿與側板孔位置，獲得拉應力與螺栓軸線不同角度的測試數據。轉接桿與側板通過銷連接，側板（圖6）連接孔與螺栓軸心角度分別加工為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，拉伸–剪切復合載荷角度為0°時，試樣受純拉伸力；角度為90°時，試樣受純剪切力；角度為15°、30°、45°、60°、75°時受拉伸–剪切復合載荷。

圖6 側板工裝圖Fig.6 Side plate tooling diagram

2.2 試驗設備

試驗設備采用微機控制電子萬能試驗機（圖7（a）），設備精度1級，主要用于金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗；拉伸–剪切試驗裝置實物如圖7（b）所示。

圖7 試驗設備及試驗裝置Fig.7 Experimental equipment and experimental device

2.3 試驗材料

試驗采用的螺栓材料為國產鈦合金TC4，規格為MJ6×1，頭型為六角頭，螺紋精度為4h6h，強度等級為1100MPa，表面狀態為涂覆二硫化鉬+涂十六醇，采用不同角度狀態各3件進行試驗。

3 試驗結果與分析

純拉伸、純剪切、拉伸–剪切3種狀態分別拉至破壞，破壞拉力結果見表1。

表1 試驗結果Table 1 Results of experimental

側板連接孔與螺栓軸心角度為15°、30°、45°、60°、75°時試樣受拉伸–剪切復合載荷；角度為0時試樣受純拉伸力；角度為90°時試樣受純剪切力。試驗結果平均值見表2。

表2 各角度試驗結果平均值Table 2 Mean value of experimental results

隨著拉應力與螺栓軸線角度的增大，鈦合金螺栓在拉應力和切應力耦合作用下的破壞載荷力值逐漸降低，拉應力與螺栓軸線角度為75°時，降幅最大，較純拉力時低40%。拉應力與螺栓軸線角度為90°時試樣受純剪切力，破壞載荷稍有提升。

如圖8所示，以縱坐標為拉伸載荷，以橫坐標為剪切載荷，將試驗平均載荷標注在試驗角度分度線上，繪制復合載荷圖，連接圖上各平均載荷點，并適當修正，得到平滑的復合載荷圖。隨著拉應力與螺栓軸線角度的增大，鈦合金螺栓所受拉應力在逐漸變小，切應力在逐漸增大。

圖8 復合載荷圖Fig.8 Compound load

4 結論

結合鈦合金螺栓在拉應力和切應力耦合作用的受力特點，加工了拉伸–剪切復合載荷的測試裝置，測試裝置結構參照美國軍用標準《NASM1312—2緊固件試驗方法 復合載荷》,能夠準確測試緊固件在拉伸–剪切復合載荷狀態下的力學性能，得到了鈦合金螺栓在純拉伸、純剪切、拉伸–剪切等力狀態下的力學性能參數，以及拉應力與螺栓軸線角度變化對試驗結果的影響,得到如下結論：

鈦合金螺栓在拉應力和切應力耦合作用下的力學性能指標明顯較純拉力性能明顯下降，降幅最高達40%，因此針對型號用鈦合金螺栓受拉–剪復合載荷的特殊環境，應根據安裝與拉伸角度的不同，合理考慮設計安全余量。