MJ螺纹沉淀硬化不锈钢螺栓破坏研究

王帅 卢红立 石玉红 郝鹏 马勇

（1 北京宇航系统工程研究所，北京，100076；2 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁，116023； 3 河南航天精工制造有限公司，河南，464100；）

0 引言

紧固件被称之为工业之米，足以看出其在工业领域的重要性，尤其在航天领域紧固件的可靠性更是重中之重。火箭在高速飞行时，箭体可能受到随时间变化很剧烈的半正弦脉冲横向异常载荷的作用，使箭体受到相当大扰动力和力矩，产生弯曲变形[1-2]。在火箭的级间对接、助推器捆绑等主承载部位，紧固件载荷环境尤其恶劣，除承受大集中力、爆炸冲击、运输、飞行热流等复杂的力、热载荷外，还需适应霉菌、盐雾、湿热等严苛的自然环境。该部位的紧固件一旦破坏，会直接影响飞行任务成败。

我国航天领域传统的高强度紧固件以30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A等碳钢材料为主，该材料体系存在耐腐蚀性能差、具有氢脆隐患等风险，随着新材料技术的发展，我国紧固件材料体系亟需更新换代[3]。0Cr13Ni8Mo2Al（国外牌号为PH13-8Mo）是一种马氏体型沉淀硬化不锈钢，具有高强度、优良的抗冲击性能和抗应力腐蚀能力，该材料在国外已经在宇航、核工业和石油化工等领域得到广泛应用，但在国内该牌号应用仍处在起步阶段[4]。裴玉冰等[5]研究了热处理参数对材料组织及性能的影响，黄雄荣等[6]研究了该材料在自润滑关节轴承上的应用，王锴等[7]研究了冷滚压螺纹参数对金相折叠的影响。MJ螺纹是螺纹牙底圆弧半径加大并受控的米制螺纹，能够有效提升螺纹的抗疲劳寿命，适用于航天领域严酷的载荷环境，但目前对MJ螺纹0Cr13Ni8Mo2Al螺栓的研究较少。

本文首先对MJ螺纹0Cr13Ni8Mo2Al螺栓开展了轴向拉力、剪力、楔负载等试验研究，获得了多种载荷条件下的螺栓的失效数据和破坏形貌，然后采用数值仿真的方法对失效机理和失效准则进行了研究。本研究对 MJ螺纹0Cr13Ni8Mo2Al螺栓的设计、评价和应用具有指导意义。

1 实验研究

1.1 螺栓参数

实验用螺栓材料为0Cr13Ni8Mo2Al，采用“真空感应+真空自耗重熔”冶炼方式，力学性能如表1所示。螺栓为双六角头形式，包括MJ6×36、MJ12×60和MJ24×120三种规格，表面处理方式为化学钝化。利用金相显微镜观察冶金特性，如图1所示，螺栓头下圆角处的晶粒流线沿圆角轮廓紧密排列，螺纹部位的晶粒流线连续地沿螺纹轮廓排列，并在牙底圆弧处达到最大密度。

图1 螺栓的晶粒流线Fig.1 Rolled thread streamline of bolt

表1 0Cr13Ni8Mo2Al材料的力学性能 Table 1 Mechanical properties of 0Cr13Ni8Mo2Al

1.2 拉伸强度试验

采用电子万能试验机在室温下进行拉伸强度试验，试验方法按GJB715.23A-2015执行，破坏状态如图2所示，试验结果如表2所示。同批次产品力值稳定，变异系数值较小，性能一致性较好。相比M螺纹，三种规格的MJ螺纹应力面积可分别提高8.21%、5.46%和4.60%。按应力面积折算，材料的抗拉强度平均值为1544MPa，说明0Cr13Ni8Mo2Al材料的螺栓在滚制MJ螺纹后，会在一定程度上提高抗拉强度，有助于进一步提高承载性能。

表2 螺栓的拉伸强度试验结果Table 2 Experimental result of bolt in tensile strength test

图2 螺栓拉伸强度试验的破坏状态Fig.2 Failure state of bolt in tensile strength test

1.3 室温剪切试验

在室温下进行双剪强度试验，螺栓光杆公差带为f9，试验方法按GJB715.26A-2015执行，破坏状态如图3所示，试验结果如表3所示。同种规格的螺栓双剪破坏载荷稳定，变异系数较小，产品性能一致性较高。

表3 螺栓的双剪强度试验结果Table 3 Experimental result of bolt in double shear test

图3 螺栓双剪强度试验的破坏状态Fig.3 Failure state of bolt in double shear test

1.4 楔负载试验

楔负载试验方法按GB/T3098.1-2010执行，MJ6和MJ12螺栓使用6°垫片，MJ24螺栓使用4°垫片。破坏状态如图4所示，试验结果如表4所示。三个规格的螺栓断裂位置均在螺纹处，证明螺栓头杆结合强度满足要求。

图4 螺栓楔负载试验的破坏状态Fig.4 Failure state of bolt in wedge load test

表4 螺栓的楔负载试验结果Table 4 Experimental result of bolt in wedge load test

1.5 拉伸疲劳试验

螺栓安装后，在地面运输、挂飞振动、发动机工作等过程中，会承受疲劳载荷。拉伸疲劳试验方法按GJB715.30A-2002执行，高载载荷为常温拉力标准值的46%，低载载荷为高载的10%。拉伸疲劳试验结果如表5所示。每个规格共5个试验子样，试验过程中，螺栓经过13万次循环载荷后，均未发生破坏，表明螺栓具有良好的抗疲劳性能。

表5 螺栓的拉伸疲劳试验结果Table 5Experimental result of bolt in tension fatigue test

2 数值计算研究

2.1 有限元模型

以MJ6规格螺栓为例，对轴向拉伸和楔负载进行仿真分析，建立含螺纹模型与等效截面光杆模型两种模型。含螺纹模型计算精度高，但计算时间长；等效截面光杆模型计算效率高，但计算精度一般。

含螺纹模型中的螺纹部分采用粘结连接的六面体网格进行建模，根据MJ螺纹标准齿形建立模型，外螺纹与螺杆表面粘结，内螺纹与螺母内表面粘结，螺纹之间采用粘结分析。螺纹外形线具有周期性，任意相距nP距离的两截面形状一致，则该截面上螺纹边界到轴线的距离可用分段函数表达：

其中，P为螺距，d为螺纹大径，ρ为螺牙根部倒角的半径，。楔负载试验的含螺纹模型如图5所示。

图5 楔负载试验的含螺纹模型Fig.5 Finite element model of wedge load test

等效截面光杆模型中，根据MJ6螺纹应力截面积，对螺纹部分建模直径取5.26mm，光杆部分直径为6mm。

2.2 计算结果

轴向拉伸计算结果如图6所示，螺栓的极限承载为28.12kN，此时螺栓弯矩为8046N.mm。达到最大承载后，螺栓发生颈缩，继而螺栓发生破坏。

图6 轴向拉伸试验的螺栓截面轴力和弯矩变化曲线Fig.6 Numerical results of axial force and bending moment in tensile strength test

含螺纹模型的螺栓截面和弯矩计算结果如图7所示，螺栓仿真模型的失效过程分为三个阶段：1)当刚施加外力时，螺栓与螺母连接的一两扣螺纹受力，随着载荷的增大，螺栓表面进入塑性，且塑性区域向着内部扩展，第一阶段螺栓轴力呈现线性增长；2)当螺栓截面全部进入塑性时达到第一个拐点，此时螺栓轴力最大，继续增加载荷，螺栓塑性应变增大且发生颈缩，螺栓轴力进入平台期缓慢下降直至第二个拐点；3)螺栓轴力经过第二个拐点后迅速下降，应变达到塑性极限。试验失效发生在第二阶段，靠近轴力达到峰值位置处，因此将轴力第一个弯折点作为失效判断，此时对应的外载荷为仿真失效载荷。含螺纹模型的试验与仿真结果对比如表6所示。

表6 试验与仿真结果对比Table 6 Comparison of test and simulation results

图7 楔负载计算的螺栓截面和弯矩变化曲线Fig.7 Numerical results of axial force and bending moment in wedge load test

楔负载的螺栓塑性主要集中于螺栓头部和螺纹处，在刚开始加载时，由于端面的倾角，螺栓头部随之发生弯曲，螺栓整体承受的弯矩急剧上升，随着螺栓头部角度与斜面到达一致，螺栓开始承载，直至达到破坏。螺栓最大承载为28.06kN，此时截面轴力为27.95kN，弯矩为7885N.mm。

楔负载在破坏形式上更接近纯拉失效，在加载之初，螺帽向斜面倾斜，造成弯矩上升，螺栓表面进入塑性。随着加载继续上升，螺栓塑性区不断扩展，截面弯矩下降，轴力占主导地位，其仿真计算得到的极限载荷也和纯轴拉一致。在外载荷达到28kN后，螺纹部分发生颈缩，螺栓破坏位置位于螺纹中部，与试验结果接近。试验载荷平均值32.32kN，仿真所得破坏载荷偏小，该误差可能与工装材料偏向刚性、螺栓的弹塑性材料参数存在一定偏差有关。

图8 螺栓楔负载计算的应力云图Fig.8 Numerical results of stress distribution in wedge load test

采用等效截面光杆模型计算楔负载工况，计算结果如图9所示，当载荷达到29.07kN时，能够观测到螺栓破坏位置从螺纹处开始，表明对螺纹结构简化后，可以在一定程度上表征螺栓的破坏状态。但由于未考虑到螺纹细节，还需进一步探索相关计算参数的修正方法，如简单的将MJ6螺栓的光杆直径修正为5.24mm，可使极限载荷与试验结果更好的吻合，解决含螺纹模型计算效率问题。

图9 等效截面光杆模型的计算结果 Fig. 9Numerical results of equivalent cross-section model

3 结论

本文对MJ螺纹0Cr13Ni8Mo2Al螺栓开展了试验和数值仿真研究。通过开展轴向拉力、剪力、楔负载、拉伸疲劳等试验研究，表明螺栓强度可达1500MPa以上，在双剪破坏载荷、头杆结合力和抗疲劳性能等方面表现优异，适合火箭主承载部位使用需求。同时，建立含螺纹模型与等效截面光杆模型，采用数值仿真方法对螺栓的失效机理进行了研究，并与实验结果进行了对比，发现两者在破坏模式、破坏载荷等方面吻合良好，为该螺栓的设计、评价和应用奠定了基础。