基于工程机械预防螺栓疲劳失效方法的研究

潘 锋 戢守良

（徐州徐工筑路机械有限公司，徐州 221300）

螺栓疲劳失效是导致工程机械故障的主要原因之一。材料受到的应力不应超过材料的极限拉伸强度，而疲劳会使紧固件受到较大的应力而发生失效的情况。这种失效是由于螺栓在一段时间内多次重复受力而产生的[1-3]。

1 螺栓疲劳过程分析

螺栓产生疲劳断裂必须满足4 个条件，即周期性拉伸负载、高于材料的极限拉伸应力、易受影响的材料以及材料本身内部有缺陷。一旦满足这些条件，疲劳发生过程就可分为裂纹萌生、裂纹发展、裂纹扩散和断裂4 个阶段[4]。

裂纹萌生中常见的诱因有紧固件的划痕或其他一些较小的表面变形、热处理工艺不一致或发生腐蚀以及材料发生氢脆等。几乎所有紧固件都有潜在的疲劳失效诱因，一旦开始产生裂纹，轴向应力会促使裂纹发展。此外，尖角和裂纹处的应力一般很高（应力集中点），而周期性的轴向应力会导致螺栓材料发生撕裂。裂纹每个阶段都可能会增长，而拉应力区域（即螺栓危险截面面积）会逐渐减小，导致固定负载下的应力加大。疲劳发生过程开始比较缓慢，但裂纹长度随循环次数的增加呈指数增长[5]。

裂纹扩散阶段恰好描述了裂纹的快速增长过程。该阶段的拉应力区域（即螺栓危险截面面积）逐渐减小，会导致螺栓中的应力不断增加。当此应力高于极限拉伸载荷时，螺栓会在其螺杆横截面范围内断裂并彻底断裂分开。这种突然断裂的情况往往没有任何征兆和预警，只能通过分析断裂横截面的情况，目视判断是否为疲劳断裂。查看螺栓断裂的横截面时，若有一部分比较平滑，如图1 所示，则为裂纹萌生并缓慢传播的区域。而螺栓突然断裂产生的断裂截面积为粗糙面。

2 螺纹的疲劳因素S-N 图分析

影响疲劳的变量有热处理、循环次数、预紧力、外部负载顺序以及腐蚀等，而这些变量可能会使疲劳失效发生变化。在相同的应用环境下，有些螺栓会失效，有些螺栓不会失效。因此，本文通过S-N 图预测螺栓疲劳寿命。S-N图是测试螺栓断裂的图表，描绘了应力范围与循环次数的关系图。应注意的是，S-N 图中的纵轴表示的是轴向应力范围，而不是轴向应力。此外，疲劳与螺栓应力和周期数有关，但与螺栓的总应力无关。图2 显示了钢制螺纹的S-N 图。图2 中，RBHT 表示先滚制螺纹后热处理的工艺；RAHT表示先热处理后滚制螺纹的工艺。应力范围取螺纹拉伸应力区域TSA：

式中，D 为螺栓公称直径，单位为mm；P 为螺距，单位为mm。

图1 螺栓断裂的横截面

由图2可知：曲线平缓变为直线的拐点为极限应力范围，即在该极限应力范围内不会产生疲劳破坏；当负载循环超过1×106次后，应力极限将不再降低。图2 中的曲线是采用“B10”计算寿命（B10 是10%的失效率），而RBHT螺纹（10.9 级）的耐久性极限应力为90MPa。因此，螺栓连接设计时，在结构性应用中将螺栓的轴向应力范围保持在90MPa 以下。为了提高疲劳系数，发动机工程师通常使用45MPa 作为高频率循环应力的极限，使疲劳安全系数（即疲劳系数）≥2.0。

图2 钢制螺纹的S-N 图

3 修正后的古德曼曲线

通常，零件会同时承受轴向应力和弯曲应力，且弯曲疲劳所产生的损害要小于轴向疲劳。为了找出该应力范围值，首先将弯曲应力范围乘以系数0.8，然后将单独的轴向应力范围加上弯曲应力产生的轴向应力，最后将总的应力范围值与轴向疲劳曲线进行比较，找出应力疲劳寿命。

一般情况下，只有应力范围会影响疲劳，而平均应力与疲劳无关。但是，对于RAHT 工艺处理的紧固件，当平均应力较低时，其许用应力范围较大；当平均应力较高时，其许用应力范围变小。此外，平均应力只与预紧力构成函数关系，即预紧力越高，平均应力越高，反之亦然。根据上述内容修正古德曼曲线，修正后的古德曼曲线如图3 所示，绘制了应力范围与平均应力的关系图，显示了它们的依存关系。因此，存在潜在疲劳问题的结构中，宜使用RAHT 工艺处理的紧固件。图3 绘制的曲线假定平均负载为螺栓的极限强度。

图3 修正后的古德曼曲线

4 预防疲劳的方法

第一，设计时，螺栓的几何形状应避免有尖锐的区域或凹槽。因为螺栓头底下的圆角半径为螺栓应力集中的区域，所以该圆角半径越大越好。此外，螺栓牙根的半径也应尽可能大。

第二，在关键螺栓上，建议使用MJ 螺纹以提高疲劳强度，且螺纹应采用滚制处理而不采用机加工切削处理。图4显示了滚制螺纹与机加工切削螺纹的纹路。切削螺纹破坏了母材材料，使根部容易形成裂纹。滚制螺纹的牙根部经过压制，强度更高。切削后的螺纹在机加工后，通常会有初始裂纹，因此关键点螺栓螺纹不能采用切削处理。此外，使用RAHT 处理的螺纹比RBHT 处理的螺纹更能增加疲劳寿命。但是，与RBHT 工艺相比，RAHT 工艺的成本更高且实现更困难。将RAHT 工艺应用于螺纹后，失效位置通常会发生在螺栓头底下的半径处。因此，为了获得最大的疲劳强度，应扩大螺栓头底下的半径。

图4 滚制螺纹与切削螺纹的纹路

第三，较长的螺栓可以降低循环应力，降低连接副的受力比，从而降低螺栓所承受的应力，延长螺栓使用寿命。此外，受力比的提高还会使负载在夹持件上产生更多的循环，影响其使用寿命。长螺栓和短螺栓受力对比，如图5所示。

图5 长螺栓和短螺栓受力对比

第四，螺栓连接的腐蚀应降至最低。腐蚀缩短使用寿命，因此应选择合适的涂层，以最大程度地减少腐蚀的影响。

第五，应保持夹持力。一旦失去夹持力会导致连接副出现间隙，大大增加螺栓的应力。因此，夹持力的损失是螺栓连接失效的主要原因。

5 结语

通过裂纹萌生、裂纹发展、裂纹扩散和断裂4 个阶段的理论分析，提出预防疲劳的方法。例如，存在潜在疲劳问题的结构中，宜使用RAHT 工艺处理的紧固件，平均负载为螺栓的极限强度；设计时，螺栓的几何形状应避免有尖锐的区域或凹槽；关键螺栓上，建议使用MJ 螺纹；螺栓连接的腐蚀应降至最低，以期为螺栓的设计优化和生产过程提供帮助和指导。