腐蝕后M24高強度螺栓疲勞性能試驗

陳慶偉, 謝丹, 馬輝, 郭琪, 楊晨晴, 吳澤燕

(1.國網山東省電力公司經濟技術研究院， 濟南 250021； 2.太原理工大學土木工程學院， 太原 030024)

高強度螺栓作為鋼結構的重要連接件，其安全性能直接決定著整體結構的可靠性。在往復荷載作用下，螺栓的疲勞損傷將逐漸累積，隨著服役時間的增長，螺栓又不可避免的產生腐蝕，腐蝕引起的局部應力增大加速了螺栓的疲勞失效過程。高強度螺栓腐蝕后發生疲勞失效的事故屢見不鮮：2015年，西北某變電站750 kV主變進線構架端撐柱側避雷針在服役1年后疲勞破壞并跌落，跌落避雷針根部連接的高強度螺栓全部散落在場地內，其中11個M20高強度螺栓斷裂面平整，斷面超過80%存在銹蝕痕跡。同年，某服役僅2年的變電站龍門架因柱頂與避雷針底部法蘭連接處螺栓疲勞而導致避雷針倒塌，螺栓斷面可觀察到明顯的銹蝕痕跡，也是由于高強度螺栓的腐蝕疲勞問題導致。

在高強度螺栓的軸向疲勞方面，劉丹等[1]通過探究應力比對高強度螺栓疲勞壽命的影響，發現應力比與疲勞壽命整體上呈負相關。馮徐澤等[2]通過螺栓球節點中的M39高強度螺栓進行拉伸疲勞試驗研究，并利用線性損傷原則，將變幅疲勞壽命折算成等幅疲勞壽命。Ajawei等[3]通過不同預緊力下高強度螺栓的疲勞試驗和數值模擬，發現預緊力減小導致高強度螺栓應力波動范圍增大，高強度螺栓的疲勞壽命降低。段焱森等[4]發現42CrMoA高強螺栓的應力幅越高，裂紋擴展速率越大，其高頻疲勞壽命越低。在高強度螺栓的彎曲疲勞方面，陳標等[5]通過高強度螺栓旋轉彎曲疲勞試驗，發現螺栓的疲勞損傷累積呈全域性分布特點，且其距離斷口越近材料組織的疲勞損傷程度越大。潘越[6]通過高強度螺栓純彎曲疲勞試驗，獲得了高強度螺栓彎曲疲勞S-N曲線，在高強度螺栓的剪切疲勞方面；焦晉峰等[7]針對銷軸連接高強螺栓進行了常幅疲勞試驗，建立了以名義應力幅和缺口應力幅為變量的常幅疲勞計算公式，Wang等[8]通過不銹鋼螺栓在等幅剪切載荷作用下疲勞試驗研究，獲得了不同應力幅下剪切疲勞壽命。在高強度螺栓的腐蝕研究方面，Lachowicz等[9]通過金相檢驗的方法對高強度螺栓腐蝕疲勞性能進行評價，發現循環荷載和腐蝕環境的共同作用是導致高強度螺栓疲勞破壞的原因。文娟等[10]針對朝天門大橋脫落斷裂的高強度螺栓進行了疲勞性能研究，發現高強度螺栓的斷裂失效與大氣腐蝕環境有關。Zeng等[11]開展了實驗室加速腐蝕試驗下耐候鋼螺栓的金相觀察，發現耐候螺栓的組織為回火索氏體，耐候鋼螺栓有良好的耐腐蝕性。邱萍等[12]通過對304不銹鋼螺栓腐蝕行為進行研究，發現304不銹鋼在海水環境中的腐蝕速率大約是淡水環境中的2倍。

可以看出，目前大多研究主要集中在未腐蝕螺栓的疲勞性能，雖然高強度螺栓的腐蝕疲勞問題開始逐步被重視，但其研究主要在螺栓腐蝕后的腐蝕產物分析及靜力性能退化，腐蝕后高強度螺栓的軸向疲勞性能研究亟待開展。針對上述問題，在高強度螺栓中性鹽霧腐蝕試驗的基礎上，現對其宏微觀銹層形貌展開研究，并在高強度螺栓腐蝕后疲勞試驗的基礎上，對其疲勞斷口、破壞機理和疲勞壽命進行分析。

1 高強度螺栓加速腐蝕試驗

1.1 高強度螺栓試樣

采用由中鐵山橋集團有限公司生產的ML20MnTiB的8.8級M24高強度大六角頭螺栓和材質為10H的大六角頭螺母，螺栓的螺紋段長55 mm，光滑段長50 mm，T型螺紋，螺紋間距3 mm，如圖1所示，尺寸規格符合《鋼結構高強度大六角頭螺栓》(GB/T 1228—2006)[13]的要求，其化學成分，如表1所示。

圖1 M24高強度螺栓參數Fig.1 Size of M24 high-strength bolt

表1 M24高強度螺栓的化學元素Table 1 Chemical composition of M24 high-strength bolts

1.2 螺栓靜力試驗

根據《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)[14]，選取3根螺栓開展靜力單調拉伸試驗，獲取其各項力學性能指標，以應力和應變曲線中傾斜段斜率變化的點為屈服強度點，以曲線的最高點為極限抗拉強度點，如圖2所示。根據《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》GB/T 3098.1—2010[14]和荷載位移曲線計算M24高強度螺栓的斷面收縮率，結果如表2所示。

(1)

式(1)中：At為斷面損失率，%；ΔLp為水平坐標差值，mm；d為高強度螺栓直徑，mm。

圖2 高強度螺栓的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of high-strength bolts

1.3 加速腐蝕試驗

采用持續中性鹽霧試驗，將高強度螺栓置入安穩特YWX/F-750鹽霧腐蝕試驗箱中進行加速腐蝕，如圖3所示。依據《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》(GB/T10125—2012)[15]，箱內溫度恒定為35 ℃，采用分析純NaCl和純凈水制備50 g/L的溶液，pH為6～7。此外，分別選取經過磷化、皂化和浸油(JY)與磷化、皂化和無浸油(WY)兩種不同表面處理方式的高強度螺栓進行對比。腐蝕時間選取0、100、150 d，分別記作JY-0、JY-100、JY-150和WY-0、WY-100、WY-150。

表2 M24高強度螺栓的力學參數Table 2 Parameters of mechanical properties of M24 high-strength bolt

圖3 高強度螺栓鹽霧腐蝕示意圖Fig.3 Schematic diagram of salt spray corrosion of high-strength bolts

2 疲勞性能試驗

試驗加載裝置材料為Q355B，如圖4所示，可以保障高強度螺栓的疲勞試驗有效開展。為了精確地監測試驗過程中螺栓的變化，在螺栓光滑段加工出20 mm×10 mm的平面粘貼應變片，螺栓頭部加工直徑為2 mm的圓孔，引出導線與應變采集儀相連，應變儀采樣頻率為100 Hz。為了防止螺栓松動和脫落，試驗前通過扭矩扳手對試驗高強度螺栓施加預緊力F=60 kN。本試驗為常幅疲勞試驗，為探究不同腐蝕時間對疲勞性能的影響，保持應力幅Δσ=240 MPa恒定，應力比R=0.3，加載頻率5 Hz。

圖4 高強度螺栓疲勞試驗示意圖Fig.4 Schematic diagram of fatigue test of high-strength bolt

3 加速腐蝕試驗結果

3.1 腐蝕后高強度螺栓銹層形貌

達到指定腐蝕時間后，將浸油和無浸油螺栓從鹽霧試驗箱取出?？梢杂^察到所有被腐蝕螺栓的表面凹凸不平，并且存在黑色瘤狀物質。腐蝕JY-100和WY-100螺栓的螺紋段未被腐蝕產物包裹，仍能觀察到外露的螺紋，JY-150和WY-150螺栓的螺紋段已經全部被銹層包裹。螺栓表面的銹層隨著腐蝕時間的增加顏色逐漸由深黃色轉變為紅褐色，腐蝕產物逐漸增多。螺栓表面外銹層呈褐色，并且疏松易脫落。在外銹層脫落的位置可以看到呈黃褐色內銹層，浸油螺栓和無浸油螺栓的銹層形貌基本無差別，如圖5所示。

圖5 高強度螺栓表面銹層形貌Fig.5 Rust layer of corroded high-strength bolt

對WY-150螺栓表面銹層進行電鏡掃描(SEM)，如圖6所示。由圖6可知螺栓表面的銹層由以下4種成分組成：羽毛狀結構的纖鐵礦γ-FeOOH，如圖6(a)所示；蟲巢狀的纖鐵礦γ-FeOOH，如圖6(b)所示；針狀結構的針鐵礦α-FeOOH，如圖6(c)所示；呈球狀結構的氯化鈉和氫基氧化鐵的聚合物，如圖6(d)所示。隨著腐蝕的進行，這些腐蝕產物之間會發生轉化，腐蝕初期主要為γ-FeOOH，隨著腐蝕時間的增多γ-FeOOH逐漸轉化成α-FeOOH。

圖6 高強度螺栓銹層SEM照片Fig.6 SEM photo of rust layer of high strength bolt

3.2 腐蝕后高強度螺栓表面形貌

將腐蝕后的高強度螺栓置于含六次甲基四胺的HCl緩蝕液的超聲波清洗儀中進行除銹，待螺栓表面所有銹層脫落后，使用清水沖洗，最后使用酒精擦拭并干燥?？梢杂^察到螺栓表面凹凸不平，并存在大量的蝕坑，如圖7(a)～圖7(d)所示。通過螺紋局部位置的觀察，發現螺牙部位缺失嚴重。JY-100和WF-100螺栓在螺牙尖端出現大量蝕坑，螺牙根部蝕坑較少，如圖7(e)和圖7(g)所示。JY-150和WY-150螺栓螺牙厚度損失嚴重，螺牙根部也觀察到大量蝕坑，并且WY-150螺栓螺牙根部蝕坑分布密度比JY-150螺栓大，如圖7(f)和圖7(h)所示。可以看出，浸油處理能在短期內能于螺栓表面形成保護層，但隨著腐蝕時間的增長(100 d以后)，浸油和無油螺栓差異較小。

圖8 腐蝕后高強度螺栓疲勞破壞模式Fig.8 Fatigue failure mode of high strength bolt after corrosion

圖7 腐蝕后M24高強度螺栓的表面形貌Fig.7 Surface morphology of M24 high strength bolt after corrosion

此外，采用電子天平(0.01 g)測定腐蝕前后高強度螺栓的質量，按式(2)計算質量損失率ρ。JY-100和WY-100螺栓的質量損失率分別為3.4%和3.5%，JY-150和WY-150螺栓的質量損失率分別達到6.6%和6.0%，可見兩種螺栓的質量損失十分接近，中性鹽霧環境下，浸油與否對質量損失的影響較小。

(2)

式(2)中：ρ為質量損失率，%；m0為初始質量，g；mt為腐蝕t時間后的質量，g。

4 疲勞試驗結果分析

4.1 腐蝕后高強度螺栓的疲勞破壞形態

腐蝕后高強度螺栓的疲勞破壞模式，如圖8所示。可以發現所有螺栓的破壞位置都發生在第4～5個螺紋處，該位置是螺母和螺栓接觸的第1個螺紋處，局部應力較大，因此螺栓均在此處破壞?？梢姼g時間和有無浸油并不會影響高強度螺栓疲勞斷裂的位置。

利用光學顯微鏡觀察疲勞斷口附近螺紋縱斷面，可以看到JY-0和WY-0螺牙表面完整、光滑，如圖9(a)和圖9(d)所示。JY-100和WY-100螺栓的螺牙出現了部分缺失，并且根部均存在不均勻的蝕坑，螺紋根部出現了微裂紋，如圖9(b)和圖9(e)所示。與JY-100和WY-100相比，JY-150和WY-150的螺牙及螺紋根部表面更加粗糙，基本無法觀察到完整連續的圓弧段，螺紋根部微裂紋的出現得更加頻繁，如圖9(c)和圖9(f)所示。

綜上所述，腐蝕作用下螺牙處和螺紋根部均產生了大量蝕坑，腐蝕時間越長，蝕坑深度越大，對螺栓表面的削弱越多。腐蝕不僅導致了螺栓截面尺寸的減小，還增大了此處的應力集中，促使疲勞裂紋在此處萌生。特別是螺紋根部，其原始厚度較小，加之蝕坑應力集中的影響，使此處極易萌生疲勞裂紋，加速整個疲勞進程。

4.2 腐蝕后高強度螺栓的疲勞斷口分析

腐蝕后高強度螺栓的宏觀疲勞斷口，如圖10所示。斷口可分為裂紋萌生區、擴展區和瞬斷區，疲勞源均萌生于螺紋的根部。JY-0裂紋擴展區可觀察到黑色細小孔洞，這可能是螺栓材料的冶煉缺陷造成的。JY-0和WY-0螺栓基本表現為單疲勞源特征，如圖10(a)和圖10(d)所示。隨著腐蝕時間的增長，腐蝕逐漸嚴重，蝕坑的深度和寬度逐步增長，JY-100、WY-100、JY-150、WY-150表現出典型的多源疲勞特征，如圖10(b)～圖10(f)所示，均可觀察到2～3個疲勞源，這可能是由于螺紋根部形成的蝕坑加速了疲勞源形成，促使了多個疲勞源和擴展區的出現。對比浸油螺栓和無浸油螺栓，可以發現二者的破壞模式和位置均沒有表現出明顯差異，這是因為在長期的腐蝕過程中，表面浸油形成的保護層已被破壞，喪失了防護作用。

圖9 光學顯微鏡照片Fig.9 Optical microscope photograph

圖10 腐蝕后高強度螺栓疲勞斷口Fig.10 Fatigue fracture of high strength bolt after corrosion

4.3 剛度分析

為了研究試驗過程中高強度螺栓剛度的變化，試驗過程中對螺栓的荷載和位移進行實時測量，如圖11所示，其中Nf為該試件的最終壽命?？梢钥闯觯?～0.2Nf階段，高強度螺栓發生了微量的滑移；(0.2～0.8)Nf階段，荷載位移曲線偏移量較??；(0.8～1.0)Nf階段，突然發生比較大的便宜，滑移量達到約0.45 mm。

為定量表述高強度螺栓的剛度，分析不同腐蝕時間其剛度演化情況，引入一個無量綱參數k，k為剛度百分比，如式(3)所示。荷載位移曲線的斜率為該螺栓在各階段壽命Ni時的計算剛度，記為Ki；初始階段的計算剛度記為K0。不同腐蝕時間浸油和無浸油螺栓的剛度百分比k與Ni/Nf(各階段壽命與最終壽命的比值)的關系如圖12所示。

(3)

式(3)中：k為剛度百分比，%；Ki為不同壽命階段的計算剛度，N/mm；K0為初始計算剛度，N/mm。

高強度螺栓的剛度變化為明顯的三段式曲線，

圖11 JY高強度螺栓荷載-位移關系Fig.11 Relationshipbetween load and displacement of JY high strength bolt

圖12 高強度螺栓剛度百分比與壽命比關系Fig.12 Relationshipbetween stiffness ratio and fatigue life

在0.2Nf之前高強度螺栓的剛度輕微下降(約5%)；在(0.2～0.8)Nf階段，剛度基本保持穩定，疲勞裂紋在此階段逐漸萌生，疲勞損傷不斷累積，位移和剛度變化并不明顯；0.8Nf之后螺栓剛度比出現突變(下降約15%)，此階段裂紋快速擴展，位移快速增加，在經歷較短的周期后，高強度螺栓疲勞破壞螺栓疲勞失效。此外，腐蝕后的浸油與無浸油螺栓在剛度上未表現出明顯的差異。

4.4 疲勞壽命分析

對比不同腐蝕時間下有無浸油螺栓的疲勞壽命，如圖13所示?？梢钥吹浇吐菟ê蜔o浸油螺栓的疲勞壽命Nf都隨著腐蝕t的增加逐漸降低。腐蝕100 d的無浸油螺栓疲勞壽命比無腐蝕螺栓下降了16%，腐蝕150 d后比無腐蝕螺栓疲勞下降了28%。

圖13 M24高強度螺栓腐蝕時間-疲勞壽命關系Fig.13 Relationship between corrosion time and fatigue life of M24 high strength bolts

對于浸油螺栓，腐蝕100 d的螺栓比無腐蝕螺栓的疲勞壽命降低了40%，腐蝕150 d后比無腐蝕螺栓疲勞壽命下降36%。腐蝕150 d的試件疲勞壽命略高于腐蝕100 d的試件的疲勞壽命，這可能由于疲勞數據的離散性導致的。在腐蝕0 d時，WY-0僅比JY-0的疲勞壽命降低了2%，腐蝕100 d時，WY-100比JY-100的疲勞壽命增加了27%，腐蝕150 d時，WY-150的疲勞壽命比JY-150減少了9%?？梢婋S著腐蝕時間的增長，浸油螺栓和未浸油螺栓的疲勞壽命整體仍呈下降趨勢，浸油螺栓與未浸油螺栓在疲勞壽命上并未表現出較大差異。

5 結論

開展了浸油和無浸油兩種M24高強度螺栓的加速腐蝕試驗，對二者腐蝕前后的宏微觀表面進行了觀察，并在腐蝕后高強度螺栓的疲勞試驗的基礎上，對兩種螺栓的疲勞斷口和疲勞壽命進行分析，得出如下結論。

(1)腐蝕后浸油和無浸油螺栓表面均存在大量的蝕坑，且螺紋段的螺牙損失嚴重。隨著腐蝕時間數的增加，兩種螺栓的螺牙處和螺紋根部均出現大量的蝕坑。相同腐蝕時間下，浸油和無浸油螺栓的質量損失基本相同。

(2)腐蝕后浸油和無浸油高強度螺栓的疲勞破壞位置均為螺母與螺紋咬合的第一個螺紋處，然而隨著腐蝕時間的增長，其破壞模式由單疲勞源破壞逐步轉變為多疲勞源破壞。腐蝕時間越長，蝕坑的數量和尺寸越大，蝕坑的形成和發展加速了疲勞裂紋的萌生。

(3)腐蝕后浸油和無浸油螺栓剛度的退化為明顯的三段式曲線，0.2Nf之前降低5%，(0.2～0.8)Nf基本保持穩定，0.8Nf之后螺栓剛度陡然降低15%。

(4)獲取了兩種高強度螺栓不同腐蝕時間下的疲勞壽命，腐蝕時間越長，疲勞壽命的劣化越嚴重，腐蝕150d時，浸油和無浸油螺栓的疲勞壽命分別下降了36%和28%。浸油和無浸油的處理方式未對腐蝕后高強度螺栓的疲勞性能產生較大影響。