8.8级螺栓用ML40Cr钢的疲劳性能和裂纹扩展行为

doi:10.11901/1005.3093.2019.207

8.8级螺栓用ML40Cr钢的疲劳性能和裂纹扩展行为

王源晨¹, 宋竹满¹, 李瑞², 史文博³, 朱艳坤¹, 张广平^,¹

1. 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心沈阳 110016

2. 浙江华电器材检测研究所有限公司杭州 310015

3. 东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室材料科学与工程学院沈阳 110819

Fatigue Properties and Crack Growth Behavior of ML40Cr Steel for 8.8-grade Bolts

WANG Yuanchen¹, SONG Zhuman¹, LI Rui², SHI Wenbo³, ZHU Yankun¹, ZHANG Guangping^,¹

1. Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

2. Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute Co. Ltd. , Hangzhou 310015, China

3. Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials, Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

通讯作者: 张广平，研究员，gpzhang@imr.ac.cn，研究方向为金属材料疲劳与断裂

责任编辑: 吴岩

收稿日期: 2019-04-20 修回日期: 2019-05-21 网络出版日期: 2019-10-11

基金资助:

国网浙江省科技项目. 5211HD180005

Corresponding authors: ZHANG Guangping, Tel:(024)23971938, E-mail:gpzhang@imr.ac.cn

Received: 2019-04-20 Revised: 2019-05-21 Online: 2019-10-11

Fund supported:

Zhejiang Science and Technology Project. 5211HD180005

作者简介 About authors

王源晨，女，1992年生，博士生

摘要

针对紧固螺栓在不同预紧力下的疲劳可靠性问题，对ML40Cr钢母材进行拉-拉疲劳和对称三点弯曲实验，研究输电铁塔用8.8级紧固螺栓用钢的疲劳性能和裂纹扩展行为。拉-拉疲劳实验的结果表明，在不同应变幅的疲劳加载条件下，以材料抗拉强度的50%作为平均应力时ML40Cr光滑试样的疲劳极限为263 MPa，缺口试样的疲劳极限为95 MPa。用有效应力( $\bar{σ}$ )参数法处理平均应力对ML40Cr疲劳曲线的影响，得到8.8级螺栓用钢ML40Cr的疲劳缺口敏感度为0.31。依据对称三点弯曲实验的疲劳实验结果，得到8.8级螺栓用钢ML40Cr的裂纹扩展速率关系式为 $d a / d N = 10^{- 10} {(∆ K)}^{2.2}$ 。探讨ML40Cr用钢的缺口疲劳强度和疲劳裂纹扩展机制。

关键词： 材料失效与保护 ; 疲劳性能 ; 缺口敏感度 ; 裂纹扩展 ; 8.8级螺栓

Abstract

ML40Cr steel for 8.8-grade bolts of power transmission towers was selected as research object in this paper. Considering the fatigue reliability of the bolts fastened under different pre-stresses, tension-tension fatigue and symmetric three-point bending experiments were conducted to investigate the fatigue properties and fatigue crack propagation behavior of ML40Cr steel samples, respectively. The experimental results show that the fatigue limits for smooth samples and notched samples of the ML40Cr steel are 263 MPa and 95 MPa, respectively when the 50% of tensile strength was adopted as the mean stress with different stress amplitudes. The effect of the mean stress on the stress-fatigue life (S-N) curve of the ML40Cr steel samples was investigated by the effective stress method and the corresponding fatigue notch sensitivity 0.31 was obtained. According to the results of symmetrical three-point bending tests the Paris formula of ML40Cr steel for 8.8 bolts is fitted as $d a / d N = 10^{- 10} {(∆ K)}^{2.2}$ . Mechanisms of notch fatigue strength and crack growth of the ML40Cr steel for the bolts were also discussed.

Keywords： materials failure and protection ; fatigue properties ; notch sensitivity ; crack growth ; grade 8.8 bolts

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本文引用格式

王源晨, 宋竹满, 李瑞, 史文博, 朱艳坤, 张广平. 8.8级螺栓用ML40Cr钢的疲劳性能和裂纹扩展行为. 材料研究学报[J], 2019, 33(10): 771-775 DOI:10.11901/1005.3093.2019.207

WANG Yuanchen, SONG Zhuman, LI Rui, SHI Wenbo, ZHU Yankun, ZHANG Guangping. Fatigue Properties and Crack Growth Behavior of ML40Cr Steel for 8.8-grade Bolts. Chinese Journal of Materials Research[J], 2019, 33(10): 771-775 DOI:10.11901/1005.3093.2019.207

输电铁塔是电网使用的重要构件，铁塔紧固螺栓的服役可靠性直接关系到电网的安全^[1,2]。螺栓的松脱和疲劳破坏是影响输电铁塔服役寿命和安全可靠性的重要因素。螺栓一旦失效将打破整个输电铁塔的受力平衡，从而加速输电铁塔的损伤破坏。尤其是在大风等恶劣自然环境中，这种失效行为的影响格外突出^[3,4,5,6,7]。

国内外学者针对螺栓疲劳失效的研究结果表明，螺栓的疲劳破坏主要表现在两个方面：一方面，螺杆与螺帽的螺纹间存在明显的挤压，在受到往复风力等的作用下螺纹根部承受明显的交变载荷作用，螺纹一旦断裂将引起螺栓脱扣，从而使其迅速松动^{[3,8,9,10,11]}；另一方面，螺杆本身受到预紧力与杆件剪切应力的双重作用，也存在着疲劳损伤的问题^[5,12,13]。因此，研究螺栓的疲劳性能对于确保大风大温差区域电网的安全可靠运行有重要的意义。

螺纹根部为螺栓的应力集中部位，也是易发生疲劳破坏的位置，尤其是第一扣螺纹的根部。鉴于此，本文选择输电铁塔用8.8级螺栓用钢ML40Cr为研究对象，先在交变载荷作用下选取实验用材料抗拉强度的50%作为平均应力加载，对棒状的试样进行拉-拉疲劳实验，确定材料的缺口敏感度，研究螺栓用钢的疲劳可靠性。对单边缺口试样进行对称三点弯曲实验研究螺栓用钢的疲劳裂纹扩展行为，并通过扫描电镜对样品的疲劳断口进行观察与分析系统地研究8.8级螺栓用钢ML40Cr的疲劳性能。

1 实验方法

实验用材料为标准的8.8级螺栓用钢ML40Cr，其公称抗拉强度为800 MPa，屈强比为0.8。这种钢的化学成分列于表1。

表1 8.8级螺栓的化学成分

Table 1 Chemical composition of 8.8 grade bolt (mass fraction, %)

C	Si	Mn	S	P	Cr	Mo	Cu	Ni	Fe
0.40	0.24	0.58	0.007	0.009	0.89	<0.03	0.03	<0.3	Bal.

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将初始样品进行机械研磨和抛光处理后用4%的硝酸-酒精溶液腐蚀，制备金相试样。然后在Olympus GX71金相显微镜下对样品的组织结构进行观察与分析。对样品进行应力控制的拉-拉疲劳实验及对称三点弯曲实验，按照国标《GB/T3075-2008》加工光滑疲劳试样，其尺寸如图1a所示。在使役环境下，螺栓的受力形式主要是沿螺杆的轴向，按照台架试验的加载条件，在有限元模拟中对螺栓施加沿轴向60 kN的预紧力，理论计算出螺纹的名义应力为177.39 MPa。模拟结果表明螺纹根部为螺栓应力集中位置，因此提取了第一圈啮合螺纹根部沿轴向应力的平均值，轴向应力的平均值为712.02 MPa，计算出应力集中系数为4.01。根据得到的螺栓螺纹应力集中系数设计缺口圆棒试样的缺口尺寸。为了使缺口疲劳测试样品受力条件与实际服役条件相吻合，反复更改样品尺寸进行模拟计算后确定缺口尺寸，如图1b所示。此时圆棒试样的应力集中系数是3.98，与实际受力情况相似。对称三点弯曲实验所采用的单边缺口试样尺寸，如图1c所示。实验中用显微镜读数法测量裂纹的长度。

图1

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图1 光滑疲劳试样、缺口疲劳试样和单边缺口疲劳试样的尺寸示意图

Fig.1 Dimensions of smooth fatigue specimen (a), notched fatigue specimen (b) and single-edge notched specimen (c) (unit: mm)

在大气及室温条件下，用岛津EHF-20KN实验机进行应力控制的拉-拉疲劳实验，加载频率为50 Hz。考虑到螺栓的服役条件，为了模拟实际的受力情况，在疲劳实验过程中保持样品受载的平均值不变，改变交变应力幅值。实验中选取8.8级螺栓抗拉强度的50%作为平均值应力。实验前的拉伸结果表明，实验所用材料的抗拉强度为841 MPa，因此实验中所选的平均应力值σ_m=420 MPa。采用Instron E 3000进行对称三点弯曲实验，载荷为800 N，载荷频率为25 Hz，应力比为0.1。用Zeiss Supra 35扫描电镜观察与分析疲劳加载及对称三点弯曲后样品的断口。

2 实验结果

2.1 金相组织和疲劳性能

图2为8.8级螺栓用钢ML40Cr初始样品的金相照片，金相组织为回火索氏体。实验材料的抗拉强度为841 MPa，选取抗拉强度的50%作为平均值应力，即σ_m=420 MPa。光滑及缺口螺栓的疲劳加载应力幅-疲劳寿命关系(S-N)曲线，如图3所示。由图3可见，光滑试样及缺口试样的疲劳强度分别为263和95 MPa。

图2

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图2 ML40Cr初始样品的金相组织

Fig.2 Optical image of microstructure

图3

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图3 光滑及缺口螺栓的疲劳加载应力幅-疲劳寿命S-N曲线

Fig.3 S-N curves of smooth and notched samples

2.2 断口形貌

用扫描电子显微镜对光滑及缺口疲劳样品的断口进行了观察。图4a、b分别为应力幅Δσ/2=280 MPa条件下光滑样品疲劳断口的裂纹萌生区和疲劳裂纹扩展区的SEM照片，图4c、d分别给出了Δσ/2=140 MPa条件下缺口样品疲劳断口的疲劳裂纹萌生区和疲劳裂纹扩展区的照片。由图4可见，光滑样品的疲劳裂纹萌生于试样表面，只有一个疲劳源并逐渐向心部扩展；缺口样品的疲劳裂纹萌生于缺口根部，有多个疲劳源，因为在缺口根部存在应力集中，更有利于疲劳裂纹的萌生；裂纹萌生后，也逐渐向心部扩展。在疲劳裂纹扩展区都观察到了疲劳条纹，呈现出典型的疲劳断口特征。

图4

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图4 光滑和缺口试样的疲劳断口

Fig.4 Fatigue fracture of smooth and notched specimens (a) crack initiation region and (b) propagation region of smooth specimen, (c) crack initiation region and (d) propagation region of notched specimen

2.3 疲劳裂纹的扩展速率

根据施加的载荷范围(ΔP)可以计算出裂纹尖端应力强度因子范围(ΔK)与三点弯曲条件下裂纹长度(a)之间的关系^[19]

∆ K = \frac{∆ P S}{B W^{3 / 2}} f (\frac{a}{W})

(1)

其中 $f (\frac{a}{W})$ 可表示为

f (\frac{a}{W}) = \frac{3 {(\frac{a}{W})}^{\frac{1}{2}}}{2 [1 + 2 (\frac{a}{W})] {[1 - (\frac{a}{W})]}^{\frac{3}{2}}} \times

\{1.99 - (a / W) (1 - a / W) [2.15 - 3.93 (\frac{a}{W}) + 2.7 {(a / W)}^{2}]\}

(2)

其中S为样品的跨距，B为样品的厚度，W为样品的宽度，本文中，S=30 mm，B=3.5 mm，W=7.5 mm。

依据上式计算出裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子范围之间的关系，如图5所示。从图5可见，该阶段为疲劳裂纹扩展的主要阶段^{[14,15,16,17]}。对曲线拟合可得(ΔK=9.8~52.2 MPa·m^1/2)

\frac{d a}{d N} = 10^{- 10} {(∆ K)}^{2.2}

(3)

图5

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图5 疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端应力集中系数之间的关系

Fig.5 Relationship of fatigue crack growth rate and stress intensity factor range at the crack tip

3 分析和讨论

由于实验中采用变幅加载，为了比较光滑样品与缺口样品的疲劳性能用有效应力参数法进行转换，只考虑平均应力对疲劳曲线的影响。有效应力的计算公式^[18,19]为

\bar{σ} = σ_{m a x} {(1 - R)}^{m}

(4)

式中 $σ_{m a x}$ 为疲劳加载的最大应力值， $R = σ_{m i n} / σ_{m a x}$ 为循环应力比，m为材料常数，依据前人的研究结果^[20]材料的m值可取0.5。根据式(4)可将图3中的应力幅转变成有效应力，从而得到有效应力-疲劳寿命( $\bar{σ} - N) 关系$ 曲线，如图6所示。

图6

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图6 有效应力参数-疲劳寿命关系曲线

Fig.6 Curve of effective stress versus fatigue life

常用疲劳缺口敏感度q_f评定在交变载荷作用下金属材料的缺口敏感性，公式为

q_{f} = \frac{K_{f} - 1}{K_{t} - 1}

(5)

其中K_t是理论应力集中系数。经过前期对实际服役条件下螺栓应力集中系数的有限元模拟以及对实验所用缺口试样尺寸的设计，最终设计出受力条件与实际服役条件相吻合的缺口试样，其K_t值为3.98。K_f为疲劳缺口系数，是光滑试样与缺口试样疲劳极限之比，即 $K_{f} = σ_{- 1} / σ_{- 1 N}$ 。根据有效应力公式转换后计算出光滑试样疲劳极限为599.4 MPa，缺口试样疲劳极限为315.8 MPa。由此可计算出K_f为1.92。因此，可以确定8.8级螺栓用钢ML40Cr的缺口敏感度为0.31。q_f=0表明缺口对疲劳性能没有影响，q_f=1表明缺口会严重降低材料的疲劳性能。由此可见，本实验所选材料的缺口敏感性并不严重。

基于对紧固件疲劳性能的研究可进一步完善紧固件使用标准，提高紧固件使用的规范性与安全可靠性。同时，关于易于萌生疲劳损伤的螺纹根部疲劳性能的研究，可在对螺栓及联接的设计提供一定的理论指导。

4 结论

(1) 在交变载荷的作用下，以材料抗拉强度的50%作为平均应力加载时8.8级螺栓用钢ML40Cr的光滑试样的疲劳极限为263 MPa，缺口试样的疲劳极限为95 MPa。

(2) 依据有效应力转换关系将光滑和缺口试样在交变载荷下的应力幅-疲劳寿命曲线转换为有效应力，得到8.8级螺栓用钢ML40Cr的缺口敏感度为0.31。

(3) 8.8级螺栓用钢ML40Cr扩展速率的关系式为 $d a / d N = 10^{- 10} {(∆ K)}^{2.2}$ 。