基于8.8级螺栓疲劳性能的预紧力优化

doi:10.11901/1005.3093.2019.073

基于8.8级螺栓疲劳性能的预紧力优化

宋竹满¹, 李瑞², 钱苗², 史文博³, 钱科², 马恒², 陈庆吟², 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

Optimizing Prestress of Fatigue Property-dominated 8.8-grade Bolts

SONG Zhuman¹, LI Rui², QIAN Miao², SHI Wenbo³, QIAN Ke², MA Heng², CHEN Qingyin², 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行为与服役可靠性评价

收稿日期: 2019-01-21 修回日期: 2019-04-06 网络出版日期: 2019-07-29

基金资助:

国网浙江省科技项目. No. 5211HD180005

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

Received: 2019-01-21 Revised: 2019-04-06 Online: 2019-07-29

Fund supported:

Supported by Zhejiang Science and Technology Project. No. 5211HD180005

作者简介 About authors

宋竹满，男，1985年生，助理研究员

摘要

测量了8.8级螺栓的拉伸性能，根据螺栓材料的强度极限和屈强比研究了预紧力分别为强度的10%、30%和50%的极限条件下材料的疲劳性能。结果表明，当8.8级螺栓的预紧应力从10%强度极限提高到50%强度极限时，其疲劳极限由370 MPa降低到263 MPa。根据有效应力( $\bar{σ}$ )参数法处理预紧应力对8.8级螺栓疲劳曲线的影响，得到了疲劳极限处的有效应力( ${\bar{σ}}_{10^{7}} = 562.75 M P a$ )。当有效应力 $\bar{σ} < {\bar{σ}}_{10^{7}}$ 时预紧的8.8级螺栓不会发生疲劳失效，由此得到了8.8级M6和M27两种螺栓在不同应力比下所对应的最大预紧力和预紧扭矩曲线。

关键词： 材料失效与保护 ; 疲劳极限 ; 有效应力法 ; 8.8级螺栓 ; 预紧力

Abstract

The ratio (σ_s/σ_b) of ultimate tensile strength to yield strength for the 8.8-grade bolt were firstly obtained by tensile tests, and then its fatigue properties under the pre-applied stresses of 10%, 30% and 50% of the ultimate tensile strength were investigated, respectively. The results show that the fatigue limit of 8.8-grade bolt decreases from 370 MPa to 263 MPa with increasing the pre-applied stress from 10% to 50% of the ultimate tensile strength. In addition, the effective stress at fatigue limit was obtained as 562.75 MPa by handling the effect of pre-applied stress on the fatigue S-N curves of the 8.8-grade bolt with the effective stress parameter method. It means that the fatigue failure of 8.8-grade bolt will not happen when the effective stress is lower than 562.75 MPa. Finally, the maximum pre-applied stresses and pre-load torque curves corresponding to the 8.8-grade M6 and M27 bolts at different stress ratios were given.

Keywords： materials failure and protection ; fatigue strength ; effective stress ; 8.8-grade bolts ; prestress

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本文引用格式

宋竹满, 李瑞, 钱苗, 史文博, 钱科, 马恒, 陈庆吟, 张广平. 基于8.8级螺栓疲劳性能的预紧力优化. 材料研究学报[J], 2019, 33(8): 629-634 DOI:10.11901/1005.3093.2019.073

SONG Zhuman, LI Rui, QIAN Miao, SHI Wenbo, QIAN Ke, MA Heng, CHEN Qingyin, ZHANG Guangping. Optimizing Prestress of Fatigue Property-dominated 8.8-grade Bolts. Chinese Journal of Materials Research[J], 2019, 33(8): 629-634 DOI:10.11901/1005.3093.2019.073

输电铁塔是电网用的重要构件，其紧固螺栓的服役可靠性直接关系到电网的安全^{[1,2,3,4,5,6,7]}。紧固件在服役过程中一旦松脱或疲劳断裂，便可能发生诸如断电、倒塔甚至人员伤亡等恶性事故。因此，输电铁塔用紧固件的服役可靠性一直是业界关心的重要问题。在“十三五”期间国家电网公司投入约两千亿元大力发展“疆电外送”，电网安全成为关乎国计民生的重要研究课题。

引起紧固螺栓损坏的主要原因，是螺栓的应力松弛^{[8,9,10,11,12,13,14]}。热镀锌紧固件在服役过程中出现过因应力松弛和疲劳断裂导致的恶性事故^[12,13]。螺栓在安装过程中需要对其施加一定的预紧力以实现与连接件的紧密接合，并通过增大与连接件之间的摩擦力限制其相对滑动，从而最大限度地防止螺栓松动。那么，预紧应力是否越大越好呢？GB/T 3098.1-3098.3关于《紧固件机械性能》的国家标准，针对螺栓、螺柱、螺母等紧固件给出的性能规范仅涉及紧固件用材料的化学成分、硬度、脱碳等因素，并未提及紧固件工况条件下的疲劳性能规范。如果预紧应力过小，在风载荷的作用下铁塔的晃动会导致螺栓松动和螺栓与螺母之间的缝隙增大，螺栓在交变载荷作用下易发生剪切断裂；如果螺栓的预紧应力过大，螺栓会出现过度拉伸而使螺母之间接触过紧，易萌生疲劳裂纹而缩短螺栓的疲劳寿命^[15]。因此，科学合理地选择预紧应力并掌握预紧应力对螺栓疲劳性能的影响规律，对于输电铁塔的可靠服役具有重要的理论意义和应用价值^{[16,17,18,19]}。

铁塔用紧固螺栓在螺栓轴向受到以预紧力为平均应力、风载为振幅的变应力比疲劳载荷。为了模拟这一受载状况，本文对输电铁塔的8.8级螺栓用钢在84、252、420 MPa三种预紧应力(σ₀)条件下进行疲劳实验，采用的加载方式与实际风载条件的加载方式类似。用扫描电镜观察和分析样品的疲劳断口，系统地研究预紧应力对8.8级螺栓疲劳性能的影响。

图1

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图1 8.8级螺栓拉伸与疲劳试样尺寸示意图

Fig.1 Dimensions of tensile and fatigue specimens of 8.8-grade bolt (unit: mm)

1 实验方法

实验用材料为广泛应用于输电线路杆塔和电力金具及其它的钢制紧固连接用零件的标准8.8级螺栓用钢(公称抗拉强度为800 MPa，屈强比为0.8)，其化学成分列于表1。

表1 8.8级螺栓的化学成分

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

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

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制备金相试样时，将样品机械研磨和抛光处理后用4%的硝酸-酒精溶液腐蚀，在Olympus GX71金相显微镜下观察和分析样品的组织；在Zeiss Supra 35扫描电镜下观察和分析样品的疲劳断口。

按照国标《GB/T3075-2008》加工拉伸和疲劳试样，其尺寸如图1所示。在室温和大气环境条件下，拉伸实验在INSTON-5982拉伸实验机上进行，拉伸速率为10^-3 s^-1；疲劳实验在岛津EHF-20KN实验机上进行，采用正弦波加载，加载频率为50 Hz。对样品施加一定的平均应力以研究预紧力对螺栓疲劳性能的影响。疲劳实验按照三种不同预紧应力分为三组，分别将通过拉伸实验测得的螺栓材料强度极限(σ_b)的10%、30%和50%作为螺栓的三种预紧应力，并将其作为疲劳加载过程中的平均应力，疲劳实验采用拉-拉疲劳加载方式。

2 实验结果

2.1 金相组织

8.8级螺栓商品供料状态的金相组织，如图2所示。材料的组织由铁素体和回火索氏体构成，图中灰色区域为铁素体，黑色区域为回火索氏体。

图2

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图2 8.8级螺栓的金相组织

Fig.2 Optical image of microstructure of 8.8-grade bolt

2.2 拉伸性能

图3给出了8.8级螺栓材料的拉伸工程应力-应变曲线。从图3可见，螺栓材料具有良好的综合力学性能，其强度极限(σ_b)为841 MPa，屈服强度(σ_s)为688 MPa，屈强比为0.81。其中，σ_b=841 MPa将用于确定后续疲劳加载实验的预紧应力值。

图3

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图3 8.8级螺栓拉伸工程应力-应变曲线

Fig.3 Engineering stress-strain curve of 8.8-grade bolt

2.3 不同预紧力条件下螺栓的疲劳性能

分别选定螺栓强度极限(σ_b)的10%、30%和50%作为螺栓疲劳加载前的预紧应力，按照σ_b=841 MPa计算三种预紧应力分别为84 MPa 、252 MPa和420 MPa。然后将计算出的预紧应力分别作为三种疲劳加载实验的平均应力值(σ₀)，在三种条件下螺栓材料的疲劳加载应力幅-疲劳寿命关系(S-N)曲线如图4所示。结果表明，三种预紧应力样品的疲劳极限分别为370、314和263 MPa。从图中清楚可见，随着预紧力的增大，8.8级螺栓的疲劳性能降低。在相同的应力幅下，预紧应力越低，螺栓的疲劳寿命越长。

图4

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图4 8.8级螺栓在不同预紧应力下的S-N曲线

Fig.4 S-N curves of 8.8-grade bolt under different applied prestresses

2.4 疲劳断口分析

对不同预紧应力条件下的螺栓疲劳断口进行了SEM观察，图5a、c分别为预紧力σ₀=84 MPa、应力幅Δσ/2=400 MPa条件下样品疲劳断口中裂纹萌生区和疲劳裂纹扩展区的SEM照片，而图5b、d分别为预紧力σ₀=420 MPa、Δσ/2=300 MPa条件下样品疲劳断口中裂纹萌生区和疲劳裂纹扩展区的SEM照片。可以看出，在两种加载条件下样品的疲劳裂纹均萌生于试样表面并向心部扩展，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5

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图5 不同预紧应力下8.8级螺栓疲劳断口的扫描电镜照片

Fig.5 SEM images of fatigue damaged 8.8-grade bolt subjected to different applied prestresses (a) and (b) fatigue crack initiation zone, (c) and (d) fatigue crack growth zone;(a) and (c) σ₀=84 MPa, Δσ/2=400 MPa，(b) and (d) σ₀=420 MPa, Δσ/2=300 MPa

3 讨论和分析

为了保证紧固螺栓构件不发生松弛，需尽量加大螺栓的预紧力；但是，加大预紧力(螺栓的平均应力)导致螺栓提前发生疲劳断裂失效，如图4所示。这表明，找到最佳预紧力是一个关键问题。实验结果表明，三种预紧应力下样品的疲劳极限分别为370、314 和263 MPa。可用有效应力 $\bar{σ}$ 表征平均应力对疲劳曲线的影响^[20,21]，本文用同样的方法来计算不同预紧力(平均应力)对疲劳应力幅-寿命曲线的影响。有效应力

(1) $\bar{σ} = σ_{m a x} {(1 - R)}^{m}$

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，本文m值取0.5。根据式(1)将图4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。从图6可见，在转换后三种预紧应力条件下有效应力-疲劳寿命数据点几乎落在同一条直线上。从中可以更直观的看出，随着有效应力的降低材料的疲劳寿命有所提高。进行线性拟合得到有效应力与疲劳寿命之间的关系

(2) $l g (\bar{σ}) = 3.03158 - 0.04018 l g (N)$

图6

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图6 有效应力参数-疲劳寿命关系曲线

Fig.6 Curves of relationship between effective stress and fatigue life

根据方程式(2)的计算结果表明，当疲劳寿命达到10⁷周时疲劳极限对应的有效应力( ${\bar{σ}}_{10^{7}}$ )为 ${\bar{σ}}_{10^{7}} = 562.75 M P a$ 。这也就意味着，当 $\bar{σ} < 562.75 M P a$ 时8.8级螺栓经10⁷周的交变载荷作用不会发生疲劳失效，反之当 $\bar{σ} > 562.75 M P a$ 时8.8级螺栓在10⁷周内发生疲劳断裂。

进一步，预紧力(疲劳加载的平均应力)可以表示为

(3) $σ_{0} = \frac{σ_{m a x} + σ_{m i n}}{2} = \frac{σ_{m a x} (1 + R)}{2}$

依据公式(1)和(3)得到预紧力与有效应力之间的关系

(4) $σ_{0} = \frac{\bar{σ} (1 + R)}{2 {(1 - R)}^{m}}$

将疲劳极限下的有效应力 ${\bar{σ}}_{10^{7}} = 562.75 M P a$ 带入式(4)，便可得到螺栓在10⁷周发生疲劳断裂的临界预紧力

(5) $σ_{0}^{10^{7}} = \frac{281.375 (1 + R)}{{(1 - R)}^{0.5}}$

螺栓预扭扭矩(M_t)的计算公式为

(6) $M_{t} = K \times σ_{0} \times A_{s} \times d \times 10^{- 3}$

式中 $M_{t}$ 为最大预紧力矩(Nm)；K为扭矩系数，取K=0.31；d为螺纹公称直径；A_s为螺纹部分危险剖面的计算面积(mm²)，M6螺栓值为20.1 mm²，M27螺栓为459 mm²。

对于M6和M27螺栓，将相关参数带入公式(6)便可得到临界预紧力下的扭矩，结果如公式(7)和(8)所示：

(7) $M_{t 6} = \frac{10.519 (1 + R)}{{(1 - R)}^{0.5}}$

(8) $M_{t 27} = \frac{1080.995 (1 + R)}{{(1 - R)}^{0.5}}$

由式(7)和(8)得到不同直径螺栓的预紧扭矩(M_t6和M_t27)M_t-应力比R的关系曲线，如图7的右纵坐标所示。此外，将式(6)两端同除以强度极限σ_b得到归一化的预紧应力 $σ_{0}^{10^{7}} / σ_{b}$ -应力比R的关系曲线，如图7左纵坐标轴所示。对于 $σ_{0}^{10^{7}} / σ_{b}$ -R关系。在实际工程应用情况下，由于对螺栓所施加的预紧应力 $σ_{0}^{10^{7}}$ 不能超过材料的屈服强度σ_s=688 MPa，因此这里左纵坐标 $σ_{0}^{10^{7}} / σ_{b}$ 的最大值应为该材料的屈强比 $σ_{0}^{10^{7}} / σ_{b}$ =σ_s/σ_b=0.81。图7中黑色 $σ_{0}^{10^{7}} / σ_{b}$ -R曲线上的数据点，表示在给定疲劳加载应力比R下保证螺栓疲劳服役10⁷周所需的最大预紧应力值；对于某个给定的疲劳加载应力比，如果施加的预紧应力与强度极限比对应点落在 $σ_{0}^{10^{7}} / σ_{b}$ -R曲线上方，螺栓的预紧应力超过了材料的疲劳极限，则导致螺栓过早地发生疲劳断裂；而对应点落在 $σ_{0}^{10^{7}} / σ_{b}$ -R曲线下方，则表示螺栓预紧应力不足，易于在发生松弛后再发生疲劳断裂。因此，在保证螺栓不发生应力松弛且不会过早发生疲劳断裂的前提下，尽可能提高预紧力。本文利用疲劳极限处的有效应力得到在疲劳极限附近对应的最大预紧力，应该是合理的。

图7

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图7 对应于螺栓服役10⁷周的预紧应力( $σ_{0}^{10^{7}}$ )与强度极限(σ_b)之比和预紧扭矩与应力比(R)的关系曲线

Fig.7 Relationships between $σ_{0}^{10^{7}}$ /σ_b-R and pretightening torque-R

在此基础上，在某一给定的疲劳加载应力比下，根据不同螺栓型号可从图7所示的预扭力矩M_t-R曲线上得到对应于不发生疲劳断裂的最大预紧力对应的预紧扭矩M_t6或M_t27。

4 结论

(1) 当8.8级螺栓的预紧应力从材料强度极限的10%升至50%时，其疲劳极限由370 MPa降到263 MPa。

(2) 依据有效应力转换关系将不同预紧力的应力幅-疲劳寿命曲线转换为有效应力后，确定了与预紧力和应力比有关的螺栓疲劳极限(10⁷周次)所对应的有效应力，其值为562.75 MPa。当所施加的有效应力低于此值时，8.8级螺栓不会发生疲劳失效。

(3) 得到基于8.8级螺栓疲劳极限下有效应力对应的预紧力并确定了不同应力比下M6及M27螺栓的最大预紧应力和预紧扭矩关系曲线，其中M_t6=0.037 $σ_{0}^{10^{7}}$ ，M_t27=3.842 $σ_{0}^{10^{7}}$ 。