疲勞斷裂是螺紋類緊固連接的常見時(shí)效模式之一。一般螺栓連接的疲勞斷裂發(fā)生在交變載荷力的作用下，特別是在交變載荷幅值高和頻次高的環(huán)境中，螺栓連接更易發(fā)生疲勞失效。這些螺栓連接點(diǎn)往往都會涉及到安全和性能，且螺栓的疲勞斷裂沒有任何的先兆，即使是塑性較好的材料，斷裂前卻沒有明顯的塑性變形，發(fā)生破壞后一般都會帶來比較嚴(yán)重的后果。下面由百德小編通過資料收集以及實(shí)踐來幫助你更好的預(yù)防螺栓連接疲勞失效。

　　一、了解螺栓疲勞失效具有的一系列特征

　　螺栓疲勞失效的原因，現(xiàn)今比較一致的解釋是：由于連接構(gòu)件外部形狀尺寸的突變以及材料的不均勻等原因，使連接構(gòu)件某些局部的應(yīng)力特別高。在長期的交變應(yīng)力作用下，應(yīng)力較高的點(diǎn)，材料有缺陷的點(diǎn)，逐步形成非常細(xì)微的裂紋。裂紋尖端材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，比單向拉伸更不易出現(xiàn)塑性變形，愈加速裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，在偶然的超載沖擊下，連接構(gòu)件就會沿著削弱了強(qiáng)度的截面發(fā)生突然脆性疲勞斷裂。

　　疲勞失效發(fā)生的4個(gè)過程：1、疲勞源的產(chǎn)生；2、裂紋緩慢擴(kuò)展；3、裂紋快速擴(kuò)展；4、最終瞬間斷裂。

　　二、影響螺栓疲勞失效的相關(guān)因素

　　螺栓的疲勞和一般疲勞一樣，存在5個(gè)必要條件：①交變工作載荷；②高于疲勞極限的應(yīng)力副；③疲勞源；④環(huán)境介質(zhì)；⑤材料的敏感性。螺栓連接失效可從這5個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防和分析。

　　1、交變工作載荷

　　外部的交變載荷，不管是周向的外載荷還是彎矩，都會讓已經(jīng)預(yù)緊的螺栓產(chǎn)生交變應(yīng)力變化。如在普通螺栓結(jié)構(gòu)中，螺柱部分的直徑往往比螺紋小徑/牙底徑（d1）大，是橫截面產(chǎn)生突然變化，引起局部的應(yīng)力集中。根據(jù)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，螺母同螺紋部分連接處損壞率為65%，螺紋同螺栓過渡部位占20%，栓桿R頭與柱體部位占15%。

　　2、螺栓疲勞極限

　　對于螺栓的疲勞極限，也可以通過試驗(yàn)的方式，得到S-N曲線。當(dāng)螺栓的應(yīng)力幅小于螺栓的疲勞極限時(shí)，將永遠(yuǎn)不會發(fā)生疲勞失效。對于螺栓的疲勞極限，可以查閱VDI2230《第一部分高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算》給出的一般應(yīng)力幅計(jì)算公式。確定好螺栓的疲勞應(yīng)力極限，就可以為設(shè)計(jì)預(yù)防和疲勞失效分析提供評判依據(jù)。

　　3、疲勞源

　　螺栓表面初始微裂紋有助于疲勞源的形成，螺栓本身就是表面應(yīng)力復(fù)雜的零件。在加工螺栓時(shí)，由于加工刀模具的刻痕根部引起的應(yīng)力集中，會使螺栓產(chǎn)品疲勞使之強(qiáng)度降低。表面的缺陷，如劃傷、折疊、脫碳、熱處理產(chǎn)生的微裂紋等都會誘發(fā)螺栓的疲勞失效。這些比較嚴(yán)重的缺陷當(dāng)然是不允許。從嚴(yán)格意義上來說，螺栓表面的粗糙度也可以算是微裂紋。質(zhì)量再好的螺栓疲勞源也是無法杜絕的。因此，剛才的強(qiáng)度愈高，愈要合理加工，使其具有足夠的表面粗糙度，以充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼的作用，而采用表面處理及強(qiáng)化工藝，如滲碳、滲氮、高頻淬火、滾壓和噴丸等處理都能顯著提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。

　　4、環(huán)境介質(zhì)

　　環(huán)境對于螺栓連接的疲勞強(qiáng)度也有很大的影響。這里主要考慮腐蝕性介質(zhì)和溫度對其的影響。在腐蝕環(huán)境的作用下，材料的疲勞強(qiáng)度明顯降低，材料的疲勞壽命顯著縮短。這一方面與疲勞裂紋常從局部的腐蝕坑有關(guān)，在另一方面腐蝕環(huán)境常促進(jìn)新表面的形成，裂紋易于形成和擴(kuò)展。螺栓類緊固件受腐蝕介質(zhì)的影響，便會造成表面材料的腐蝕和變質(zhì)，從而成為裂紋源，在持久的應(yīng)力作用下必然會出現(xiàn)疲勞失效的現(xiàn)象。腐蝕環(huán)境下的高強(qiáng)度螺栓，疲勞極限會降低。除了受交變應(yīng)力的作用外，螺栓連接本身的工作壽命也是一個(gè)重要因素。預(yù)防腐蝕疲勞的方式主要是增強(qiáng)其疲勞強(qiáng)度。常見的方法有：采用不銹鋼和鈦合金等耐腐蝕高的材料。其次，在螺栓連接表面通過氧化、涂覆或鍍層、噴塑等方法加上一層保護(hù)膜，也可以提高螺栓連接的疲勞極限。

　　溫度也會影響螺栓連接的疲勞強(qiáng)度，溫度升高，一般可使材料的疲勞性能下降，但使應(yīng)力集中的影響減小。有些材料如碳素結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度具有自我的調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)溫度的變化而不算地改變疲勞極限。因此，耐熱鋼的螺栓連接應(yīng)該得到廣泛的推廣，江蘇百德特種合金專注耐熱鋼10年，技術(shù)先進(jìn)完善，生產(chǎn)設(shè)備齊全，一直在行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。

　　5、材料的敏感性

　　螺栓的材料和形狀對疲勞失效也有較大的影響，韌而硬的材料有助于抗疲勞。對螺栓進(jìn)行十一的熱處理顯得非常關(guān)鍵。相同材料，熱處理制度不同，疲勞性能也就完全不同。

　　三、結(jié)束語

　　綜合分析的5點(diǎn)因素中，是否超過螺栓的疲勞應(yīng)力極限成為判斷螺栓疲勞失效與否的關(guān)鍵。交變外載荷是螺栓產(chǎn)生交變應(yīng)力幅的動(dòng)因，產(chǎn)生應(yīng)力幅的大小還與連接件的結(jié)構(gòu)、緊固點(diǎn)的布置方式，螺栓預(yù)緊力的大小等有關(guān)。所以，通過合理的緊固連接設(shè)計(jì)，有效地降低螺栓上的應(yīng)力幅，可以從設(shè)計(jì)上避免疲勞失效的發(fā)生。

　　當(dāng)然，通過改進(jìn)制造工藝，提高螺栓的疲勞應(yīng)力極限，也算是一種方案，如先熱處理后搓絲，或通過特殊形狀的螺栓設(shè)計(jì)，讓應(yīng)力集中在螺栓的光桿部分等，預(yù)防螺栓疲勞失效的措施，引起螺栓疲勞失效，最主要的原因就是螺栓上較高的應(yīng)力幅：1、夾緊力不夠；2、不合理的連接設(shè)計(jì)；3、合理的金古典布置方式，此文暫不考慮。

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