高强度螺栓的疲劳

高强度螺栓是指强度等级大于8.8级的螺栓。

高强度螺栓不仅承受较高的预紧力，同时还要承受多种强度较高的交变载荷的作用，如拉压应力、扭转应力、弯曲应力、冲击载荷、有时是多种载荷的组合。

无论承受什么复杂的载荷，高强度螺栓的常见失效形式就是疲劳失效。

早在1980年有专家研究了200例螺栓连接的失效，其中50%以上是疲劳破坏。

提高高强度螺栓的抗疲劳性能至关重要。

随时间作周期性变化的应力称为交变应力。金属在交变应力作用下的失效与静应力的失效全然不同。在交变应力下，虽应力水平低于屈服极限，长期反复之后构件也会突然断裂。这种在交变应力下以脆断的形式失效的现象，称为金属疲劳。

疲劳失效是疲劳损伤积累的结果，经历了三个阶段：裂纹形成→裂纹扩展→瞬时断裂。

在足够大的交变应力下，金属中最不利或较弱的晶体，沿最大切应力作用面形成滑移带，滑移带开裂成为微观裂纹。

在构件外形突变或表面刻痕或有内部缺陷等部位上，都可能因应力集中引起微观裂纹。

分散的微观裂纹经过集结沟通，将形成宏观裂纹，上述过程是裂纹的萌生过程。

已形成的宏观裂纹在交变应力下逐渐扩展，扩展是缓慢的且不连续，按应力水平的高低时而持续时而停滞。这是裂纹的扩展过程。

随着裂纹的扩展，构件截面逐步削弱，削弱到一定极限，构件便突然断裂。

在裂纹的扩展过程中，裂纹的两个侧面因为交变应力时而压紧时而分离，多次反复，就形成断口的光滑区。

构件最后突然断裂，形成呈颗粒状的断口粗糙区。

所以疲劳断口分为两个区：疲劳区（光滑区）和脆断区（粗糙区）。

1. 只有在交变应力作用下，疲劳才会发生。
2. 破坏起源于高应力，高应变的局部。
3. 疲劳损伤的结果是形成裂纹。

疲劳断裂具有以下特征：

1. 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低，甚至比屈服极限低。
2. 疲劳断口均为无明显塑性形变的脆断性突然断裂。
3. 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。

对于螺栓，其失效形式主要是螺纹部分的塑性形变和螺杆的疲劳断裂，其中：

严格控制螺栓的收尾尺寸消除应力集中:

a. 采用较大的过渡圆角

b. 切制卸荷槽

c. 螺纹收尾处切制退刀槽

d. 优化螺栓的头下倾角也可以有效减少应力集中

e. 采用加强型的螺纹

加强型螺纹与普通螺纹的主要区别在外螺纹的小径d1和牙根过渡圆角R。

加强型螺纹的主要特点是小径d1较普通螺纹大些,牙根过渡圆角半径增R大,减小螺栓的应力集中，且对R有具体要求:R+=0.18042P，Rmin=0.15011P，其中P为螺距,而普通螺纹无此要求,甚至可以为平直段。

加强控制螺栓的制造过程中热处理和表面处理工艺可以有效提高螺栓的疲劳。

a. 热处理

螺栓先热处理后滚丝成型，这样在螺栓的内部产生较大的残余压应力，从而减缓裂纹的形成及发展，因而提高螺栓的疲劳强度。

其中热处理时还应防止脱碳现象的发生，对比无表面脱碳和有表面脱碳情况下螺栓的疲劳强度。

脱碳层由于碳被氧化，金相组织其渗碳体的数量较正常组织少，因此在力学性能上其强度或硬度较正常组织低。

通常存在表面脱碳情况下螺栓的疲劳强度下降19.8%。

b. 磷化

螺栓表面磷化处理是为了防锈及稳定装配时的摩擦。

但是磷化处理同时也可起到减磨作用。

在滚丝过程中降低滚丝轮螺纹和螺丝螺纹之间的摩擦力，这对滚丝后螺栓螺纹上的应力分布及降低螺纹表面粗糙度都将产生积极作用。

普通螺栓联接的螺杆拉力主要被最前面的三牙受力螺纹承受。

当初始预紧力足够大时，会使部分螺纹根部局部进入塑性变形，同时在这些螺纹根部产生残余应力。

螺纹根部产生的残余压应力，能提高螺纹的疲劳强度。

同时．塑性变形后的螺纹还能改善螺纹受力分布，使螺纹牙上的接触压力变小。

由此也提高了螺纹的疲劳强度。

预紧力越大，螺栓联接抵抗联接分离的能力越大，抵抗预紧力松弛的能力越强。

同时螺栓联接的实际有效疲劳强度也越大。

因此，增大螺栓联接的预紧力， 利于提高螺栓联接抵抗循环外载作用下疲劳失效的能力，使螺栓联接在振动冲击力与有限超载作用下产生疲劳失效的风险变得更小。