不同应力幅下高强螺栓的疲劳破坏特征研究

杨　旭,王亚兵，雷宏刚

(1.太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024;2.中建一局集团建设发展有限公司，北京 100102)



不同应力幅下高强螺栓的疲劳破坏特征研究

杨旭1,王亚兵2，雷宏刚1

(1.太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024;2.中建一局集团建设发展有限公司，北京 100102)

摘要:对螺栓球节点网架中M22高强螺栓的疲劳性能展开了相关的理论与试验研究。利用稳定可靠的疲劳试验加载装置和Amsler疲劳试验机对高强螺栓的疲劳性能进行试验,并通过对高强螺栓疲劳破坏断口宏观照片和微观照片的分析,探讨螺栓球节点网架中高强螺栓疲劳破坏机理。

关键词:高强螺栓;疲劳试验;应力幅;疲劳断口

随着各类建筑的不断兴建，大跨度建筑结构得到迅速发展,其中平板网架结构是此类建筑中最常用的空间结构。网架结构是一种超静定的空间结构,其受力合理、整体性好、美观简单、空间刚度大、抗震性能良好、适合大跨度结构等优点,近几十年来在国内迅速发展。网架结构不仅大规模运用于大型公共建筑,对于工业厂房建筑,以螺栓球节点为主的网架结构也已经发展成为主流。然而在其得到广泛运用的同时,由人为或自然因素造成的事故时有发生,特别是高强螺栓破坏是网架结构破坏的主要诱因。鉴于网架结构经常应用于大型建筑,破坏一旦发生造成的损失将不可估量[1]。网架结构疲劳破坏的最薄弱环节不是杆件而是节点,而节点连接所用的高强螺栓存在严重的应力集中现象[2]。静荷载作用下,高强螺栓不易破坏,网架承受反复荷载时(如部分悬挂吊车工业厂房的网架结构),高强螺栓的受拉承载力将大大降低,因而轴心受拉的高强螺栓在交变荷载的作用下必须考虑其疲劳问题[3-5]。我国《钢结构设计规范》[6]中规定，“直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接,当应力循环次数大于或等于5×104次时,应进行疲劳计算”。网架结构的疲劳问题成为国内外有关学者研究的热点课题,目前国内外已有学者对部分型号的高强螺栓的疲劳性能进行了试验,得出了不同应力幅下螺栓的疲劳寿命,为螺栓的疲劳设计提供一定的参考[7-9]。本文将结合S-N曲线法,对悬挂吊点处M22高强螺栓的疲劳性能进行进一步的研究,揭示了其疲劳破坏机理。

1试验基本情况

1.1M22高强螺栓与螺栓球的基本性能指标

螺栓材质为40 Cr,性能等级为10.9 s[10];为了提高螺栓球的利用率,在每个直径为150 mm的螺栓球上对开三对孔径为22的丝扣,孔径相同[11],如图1所示。

图1　螺栓球试件Fig.1　Bolt ball specimen

1.2试验装置及测点设计

本次试验的试验仪器为Amsler1200型脉冲疲劳试验机,试验加荷装置为自平衡装置,两边为千斤顶,中间为试件。两边千斤顶到梁中心的距离一致,压力相同；上下两个套管分别用销钉与支座连接,拆装方便,保证螺栓为竖向受力。

1.3加载制度

1.3.1荷载等级的确定

本次拉压疲劳试验的荷载等级应力比(最小荷载与最大荷载之比)均为0.6,笔者以此3个应力幅作为变量进行加载,见表1。

表1　疲劳试验荷载等级

1.3.2试验过程

利用起重机将试件安装在加载装置上,为了保证高强螺栓处于单向受拉状态,安装过程中要保证加载梁、千斤顶、试件均在一个平面,避免在疲劳加载过程中出现扭转现象[12-13]。安装完毕后,开启Amsler疲劳试验机,当最小应力对应的刻度盘达到指定数值稳定后,按下脉冲按钮,开始增加最大应力所对应的刻度盘的数值,在此过程中脉冲频率保持在195 rad/min。当加载到最大应力所需的数值后,增加脉冲频率,本次试验一般在325 rad/min左右[14]。脉冲增加到指定数值后,摁下慢速进油按钮,疲劳试验机开始平稳运行,直至试件破坏,停机。为了在最短的时间内完成试验,螺栓球上下各安装一个螺栓杆试件进行试验,采用成对加荷方法,一次对两个试件进行试验；在同一试验组中,若循环中有一端试件破坏，则取下破坏杆件并按照试验顺序换入下一根螺栓杆试件继续加载,使尚未破坏的另一试件所承受的荷载与停机前相同,继续进行疲劳试验直至疲劳破坏。本次疲劳试验的换装杆件顺序记录如表2所示。

表2　疲劳试件试验顺序

2试验结果与分析

2.1高强螺栓常幅疲劳破坏试验结果

本次拉压疲劳试验共9个M22高强螺栓,其中有7个发生常幅疲劳破坏,2个发生变幅疲劳破坏;常幅疲劳试验结果见表3。

已有的疲劳试验表明,对普通钢材,当应力比为定值时,构件的疲劳寿命N的对数值与其应力幅的对数值成线性关系,即lgN=A+BlgΔσ,称之为S-N曲线[15]。将本文得到的疲劳试验数据代入通用曲线(S-N曲线)中进行拟合,并对变量之间的关系进行线性相关检查,得出两个变量曲线lgN与lgΔσ的线性相关系数r.经计算,本试验的相关系数大于α=0.01水平下的相关系数最小值,lgN与lgΔσ的线性相关显著。计算方程见式(1),试验数据分布图如图2所示。

表3　高强螺栓常幅疲劳试验结果

lgN=10.843 5-2.487 6lg[Δσ]±0.718 8 .

(1)

r=-0.849 4,[Δσ]2×106=34.44 MPa .

图2　本文试验数据分布图Fig.2　The paper’s test data distribution

从图2可以看出,进行常幅拉压疲劳试验的M22-1-1，M22-1-2，M22-1-3，M22-2-1，M22-2-2，M22-2-3，M22-3-1，M22-3-2，M22-3-3的试验值均分布在双曲线离散带下方,其疲劳承载力远低于普通钢材。究其原因为:高强度螺栓在热处理及硬化过程中,碳元素与氮元素逐渐析出,与铁元素生成坚硬的化合物,增加钢材强度的同时降低了钢材的塑性和韧性,同时也降低了钢材的疲劳强度。

2.2高强螺栓在常幅疲劳荷载作用下的破坏模式及螺栓杆断口形态分析

高强螺栓的断口保留了整个断裂过程的所有痕迹,记录有大量的疲劳断裂信息。试验表明,高强螺栓具有明显区别于其他任何性质断裂断口形貌的特征,这些特征受材料性质、应力状态等因素的影响。对其断裂断口分析是研究高强螺栓疲劳过程、分析疲劳失效原因的重要方法[16],本文对M22高强螺栓在常幅疲劳外力作用下破坏断口宏观照片及微观照片进行分析,探究螺栓球节点网架中高强螺栓的疲劳破坏机理。

2.2.1M22高强螺栓疲劳破坏的宏观特征

本试验中高强螺栓试件主要有以下两种破坏形式:

1) 高强螺栓螺杆位于螺栓球表面下第一个螺纹处断裂。这种破坏形式是本次疲劳试验产生的主要破坏形式,由于高强螺栓螺纹处的有效截面积最小,是螺栓在拉力作用下的受力薄弱区,应力较大,易产生疲劳破坏;另外,由于制造误差产生的螺杆轴线与螺栓球内部的螺母轴线不重合导致的初偏心等因素是螺栓产生的弯曲应力在螺栓球表面下第一个丝扣处最大。

图3　试件宏观断口图Fig.3　Specimen macroscopic fracture

2) 高强螺栓杆根部断裂。这种破坏形式在本次试验中只在M22-2-4上发生过一次,观察断口形态可以看出,该螺栓在该处存在较为明显的宏观初始缺陷,是导致此种疲劳破坏的主因。部分高强螺栓的常幅疲劳破坏断口如图3所示。其中,M22-1-1宏观断口如图3-a所示,该高强螺栓在螺帽与螺杆过渡圆弧处断裂,疲劳源在断口下部,疲劳区光滑且颜色较暗,裂纹逐渐向左上方扩展,扩展区面积较小,扩展区面积约为总面积的30%,瞬断区位于断口左上部,断裂时形成一个较大的凹槽；M22-2-1宏观断口如图3-b所示,该高强螺栓在螺帽与螺杆过渡圆弧处断裂,疲劳源在断口下部稍偏右,疲劳区光滑且颜色较暗,逐渐向左上方扩展,扩展区面积约为总面积的50%,非常光滑,瞬断区位于断口左上部,在距离边缘附近形成一个小的凹槽；M22-3-1宏观断口如图3-c所示,该高强螺栓在螺帽与螺杆过渡圆弧处断裂,疲劳源在断口下部稍微偏右,疲劳区非常光滑,裂纹逐渐向左上方扩展,扩展区面积较大,约占总面积的70%,在扩展区与瞬断区交界处形成许多小的晶粒凸起,瞬断区位于断口左上部,断裂时形成一个较大的凹槽,并伴有台阶形成。

高强螺栓的疲劳破坏有如下特点:

1) 疲劳裂纹是由于高强螺栓构件表面难免存在缺陷而产生,特别是在螺杆表面螺纹处,构件截面尺寸突变,容易产生较大的应力集中而成为高强螺栓的疲劳源。高强螺栓的疲劳源区的断口形态比较平坦、光亮,这是由于裂纹在源区的扩展速度缓慢,裂纹表面受到反复挤压,摩擦次数较多。

2) M22螺杆疲劳裂纹的扩展主要分为切向扩展阶段和正向扩展阶段。当疲劳裂纹在零件表面形成后,立即沿着与主应力方向呈45°角的滑移面向金属内部扩展,切向扩展深度大约有100 μm左右。裂纹沿切向扩展一定距离后,改变方向沿与正应力相垂直的方向扩展,其裂纹以较均匀的速率稳定向前扩展。随着扩展深度的增加,剩余的工作截面减少,应力逐渐增大,裂纹加速扩展直至发生瞬断。疲劳裂纹区是判断疲劳断裂最重要的特征区域。对于球形网架,由于实际工程中吊车的启动停歇和偶然过载等因素,螺栓内部应力大小或状态发生变化,在构件的破坏断口均可留下塑性变形的疲劳弧线,这种弧线常出现在实际机件的疲劳断口中,在本试验的试件疲劳断口却很难看见宏观的疲劳弧线,只能通过扫描电镜进行观察。从宏观断口可以看出,高强螺栓的疲劳断口表面由于多次反复压缩与摩擦,使得该区形成光滑且呈瓷质状结构表面。

3) 高强螺栓瞬断区面积较小,位置一般在疲劳源区的对侧,晶粒粗糙发亮,形状很不规则,在靠近螺栓边缘处经常形成剪切唇,呈现出明显的脆性断裂特征。

2.2.2高强螺栓疲劳破坏的微观特征

图4为对M22-1-1的断口不同特征区域放大1 000倍的图片。从图中可看出，源区比较光滑颜色较暗；瞬断区粗糙不平,形状很不规则,但是颜色很亮。图5为对M22-3-1的断口不同特征区域放大1000倍的图片。由图可以看到，源区光滑但颜色较暗。疲劳条纹从左上方逐步向右下方扩展,条纹间距逐渐增大,存在许多晶粒被撕裂的错位孔洞。瞬断区晶粒较粗糙,有突然断裂留下的撕裂痕迹,呈典型的脆性断裂形态。

图5　M22-3-1断口不同特征区域放大1 000倍Fig.5　M22-3-1 Fracture 1 000 magnification of the different characteristics of the region

对比扫描电镜结果可以看出,不同应力幅下高强螺栓破坏有共同的特点：裂纹扩展区相对来说比较光滑,存在放射性或者贝纹状的裂纹,以疲劳源为中心向断裂区扩展,且在靠近疲劳源区的地方,扩展裂纹较密,其扩展速度较慢；而在靠近瞬断区的裂纹经常显得稀疏,扩展速度较快。然而在不同应力幅作用下,高强螺栓断口裂纹扩展区的面积大小不一,疲劳弧线间距也有所不同：M22-1-1的应力幅较大,其疲劳区较小,疲劳弧线间距较大且不明显,如图4-b所示;随着应力幅的降低,M22-3-1的疲劳区域面积增加,疲劳弧线间距小且较为明显,如图5-b所示。当断口存在多个疲劳源,在不同扩展区交界的地方会形成大小不一的撕裂台阶。

3结论

1) 高强螺栓在热处理及硬化过程降低了钢材的塑性和韧性,同时也降低了钢材的疲劳强度,在拉压疲劳荷载作用下,高强螺栓呈现脆性破坏特征。

2) 在高强螺栓拉压疲劳破坏断口可以看出,应力幅较小,则裂纹扩展区较大;反之,随着应力幅的提高,裂纹扩展区面积逐渐减小。

3) 在常幅拉压疲劳破坏下,高强螺栓的近疲劳源区疲劳弧线较细密,表明裂纹扩展较慢;远离疲劳源区则疲劳弧线较稀疏,表明裂纹扩展较快。在不同应力幅作用下,高强螺栓断口对应位置的疲劳弧线间距也有所不同,应力幅较大,疲劳弧线间距较大且不明显;随着应力幅的降低,疲劳弧线间距小且较为明显。

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(编辑：贾丽红)

Research on the Fatigue Damage Characteristic of High-strength Bolt under Different Stress Amplitude

YANG Xu1,WANG Yabing2,LEI Honggang1

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ChinaCanstructionFirstDivisionGroupConstruction&DevelopmentCo.Ltd.,Beijing100102,China)

Abstract:In this paper, the research on fatigue property of M22 high-strength bolt in grid structure with bolt-sphere joint was carried out. The Amsler fatigue testing device with stable and reliable performance was used for testing the fatigue property of high-strength bolts.The fatigue failure mechanism of high-strength bolt in grid structure with bolt-sphere joint was proposed through analyzing the macroscopic and microscopic graphs of high-strength bolt fatigue fracture.

Key words:high-strength bolt;fatigue test;stress amplitude;fatigue fracture

文章编号:1007-9432(2016)02-0239-05

*收稿日期：2015-09-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目:在悬挂吊车作用下空间网格结构疲劳问题的深入研究(51178286)

作者简介：杨旭(1987-),男,山西临汾人，博士生，主要从事钢结构疲劳研究，(E-mail)ganlanshu2054@163.com通讯作者：雷宏刚，教授，博士生导师，主要从事钢结构与空间结构的研究，(E-mail)Lhgang188@126.com

中图分类号:TU55

文献标识码:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.022