不同預緊力下螺栓鬆動疲勞競爭性失效研究

現有研究對不同預緊力下螺栓鬆動疲勞的競爭失效關係、失效機理及影響因素研究不足。通過不同預緊力下螺栓鬆動與疲勞的競爭破壞試驗，分析了複合激勵下螺栓鬆動與疲勞的競爭破壞關係。結果表明，錨杆的破壞模式僅與荷載比(R)，且與初始預緊力和激勵幅值無關，初始預緊力和激勵幅值隻決定螺栓的失效壽命。複合激勵的小軸向載荷對錨杆失效具有抑製作用，且不同的預載荷對這種抑製作用的顯著程度不同。隨後對錨杆進行斷裂分析，從微觀角度驗證了錨杆的競爭破壞關係，確定了錨杆的競爭破壞機製。在此基礎上，提出了8.8級高強螺栓的最佳預緊力計算公式，可為工程應用提供參考。

螺栓是一種標準化零件，由於其結構簡單、易拆卸、可靠等諸多優點，廣泛應用於軌道車輛、飛機、化工機械、汽車、船舶以及其他工業設備中。螺栓的主要作用是將兩個或多個部件可靠地連接起來。在壓力容器及相關設備中，螺栓與密封墊圈組合以提高密封效果，這就需要在螺栓連接上施加預緊力[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 1" title="1" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e385">1］．在複雜的工作環境中，螺栓連接會受到衝擊、振動、熱應力循環和其他載荷的影響。這樣可以逐漸減小預緊力，螺栓就會鬆動。雖然在鬆動的初始階段可能不會影響係統的正常運行，但隨著預緊力的不斷減小，鬆動加劇，進一步降低了整個螺栓連接係統的整體剛度，導致螺栓斷裂。此外，螺栓連接在承受較大軸向載荷時，也可發生直接疲勞斷裂而不鬆動。

影響螺栓鬆動的主要因素有螺栓初始預緊力、工作載荷作用方式、螺栓結構參數、工作環境溫度、被夾件材料、接觸狀態[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 2" title="2" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e391">2］．影響螺栓疲勞的主要因素包括螺栓初始預緊力、外載荷、螺栓材料、加工方法、熱處理程序等。因此，預緊力是影響螺栓鬆動和疲勞失效的重要因素。考慮外載荷，垂直於螺釘方向的橫向載荷是螺栓鬆動的主要因素[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 3" title="3." href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e394">3.]，而螺杆方向的軸向載荷是螺栓疲勞的主要因素[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 4" title="4" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e397">4］．此外，隨著螺栓連接結構使用時間的增加，預緊力會在一定程度上降低，從而導致螺栓鬆動和疲勞。在極端情況下，還會引起螺栓斷裂、結構解體等重大事故。因此，必須對不同預載荷作用下螺栓的鬆動和疲勞破壞進行詳細研究。

螺栓在擰緊過程中施加的預緊力直接決定了兩個被夾部件之間的夾緊力。預壓不足會導致螺栓鬆動，而預壓過大會導致螺栓過載斷裂。因此，在設計螺栓連接時，必須準確分析所需的擰緊力矩，並精確確定合適的預緊力，以防止鬆動，增強螺栓連接的可靠性。在螺栓裝配過程中，通常采用以下預緊力施加方法[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 5" title="5" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e403">5]：

1. (1）

   轉矩控製方法

2. （2）

   Turn-of-the-nut方法

3. （3）

   螺母旋轉法

4. （4）

   拉伸方法

5. （5）

   螺栓緊固法

轉矩控製方法是工程應用中應用最廣泛的方法。計算的扭矩值往往以屈服點為依據，使螺栓預緊力接近螺栓材料的屈服強度，但考慮安全係數不超過材料屈服極限的80%。螺栓的屈服強度根據螺栓材料的不同而不同，因此，最大預緊力也不同。在螺栓擰緊過程中，隨著螺栓預緊力的增加，被夾件之間的夾緊力迅速增大。當螺栓達到屈服點時，發生塑性變形。在此階段，夾緊力的增加可以忽略不計或保持不變。如果預緊力繼續增加，夾緊力逐漸減小，直到螺栓斷裂[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 6" title="6" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e466">6］．高預載和交變載荷作用下，高強度螺栓常出現疲勞斷裂[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 7" title="7" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e469">7］．因此，必須研究不同預緊力下螺栓的鬆動壽命和疲勞強度。

為了確定預緊力對螺栓鬆動的影響，已經進行了幾項研究。研究主要表現在鬆動過程、模擬方法和影響規律等方麵。專家學者在鬆動過程劃分方法的研究中做出了很多貢獻。例如，Wang等。[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 8" title="8" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e476">8]將螺栓鬆動過程分為兩個階段。在鬆動初期，由於材料的周期性塑性變形，初始預緊力逐漸鬆弛，但螺母不轉動;第二鬆動階段的特點是螺母明顯衰退，夾緊力迅速衰退。此外，Jiang等人。[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 9" title="9" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e479">9結果表明，0.5°的螺母旋轉角是兩個階段之間的邊界。雖然提出了許多劃分方法，但對於螺栓夾緊力衰退曲線各階段的劃分還沒有明確統一的方法。在螺栓鬆動的有限元模擬方麵，Ke [<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 10" title="10" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e482">10]和王[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 11" title="11" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e485">11]提出了利用旋轉角度法施加預緊力研究螺栓連接結構鬆動的有限元模擬分析方法。該方法可用於橫向振動作用下螺栓連接結構鬆動的多階段、全過程有限元模擬分析。路[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 12" title="12" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e488">12]建立了考慮不同預緊力和接觸量的螺栓連接結構三維實體有限元模型，計算了不同預緊力下螺栓的應力分布。結果表明，結構鬆動特性隨螺栓預緊力的增加而減小。龔等人。[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 13" title="13" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e492">13]提出了一種定量確定橫向鬆動臨界荷載的模擬方法。他確定，通過增加預緊力和摩擦係數，減小夾緊長度和配合公差，可以提高螺栓連接的抗鬆動能力。由此可見，螺栓鬆動的模擬和預緊力的應用已經相對成熟，能夠滿足工程設計或驗證的需要。在預緊力對螺栓鬆動影響的研究中，Zheng等[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 14" title="14" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e495">14]利用霍普金森杆試驗研究了螺紋連接在一係列衝擊載荷下的鬆動響應，建立了預緊力變化與螺母鬆動擺動角之間的關係。神聖等。[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 15" title="15" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e498">15]進行橫向荷載作用下螺栓鬆動試驗，發現預緊力和緊固件彈性是影響螺栓鬆動的主要因素。此外，他還建立了預測螺栓鬆動程度的統計模型，得出高預緊力和低彈性模量可以降低螺栓鬆動率的結論。張(<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 16" title="16" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e501">16]分析了預緊力、橫向幅值和振動頻率對螺栓鬆動的影響，並采用正交試驗方法確定了這三個參數的最佳組合。張等。[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 17" title="17" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e504">17]觀察到，即使螺母由於螺紋表麵的微動磨損而不旋轉，螺栓也會發生自鬆動。他提出增加螺栓預緊力可以減小螺栓與螺母螺紋之間的相對滑動，從而減小螺紋磨損，提高螺栓連接的抗鬆動能力。王(<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 18" title="18" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e507">18]觀察到衝擊載荷振幅越大，螺栓鬆動的可能性越大。此外，他還確定在一定範圍的初始預緊力和螺紋接合麵之間的摩擦係數下，螺栓鬆動不太可能發生。他等人。<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 19" title="19" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e511">19]研究了在交替橫向載荷作用下螺栓預緊力的變化以及預緊力和螺母旋轉鬆動的變化。此外，Hou等[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 20" title="20." href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e514">20.]數值模擬了螺栓在鬆動初期的鬆動行為，結果表明，預緊力、載荷幅值和摩擦係數對材料鬆動期間螺紋張緊力的降低程度有顯著影響。可見，專家學者對預緊力對錨杆鬆動破壞的影響規律做出了很大貢獻，但對複合激勵下預緊力對錨杆鬆動影響規律的研究仍不足。

“VDI 2230-2003”標準[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 21" title="21" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e520">21]及“機械設計手冊”[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 22" title="22" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e523">22，<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 23" title="23" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e526">23]是評價螺栓疲勞壽命的常用標準，兩種標準都考慮了預緊力對螺栓疲勞的影響。此外，由於螺栓在工程應用中應用廣泛，經常結合有限元分析和“VDI 2230-2003”標準對螺栓進行評價。螺栓通常被簡化為BEAM單元單元;根據模擬結果，可以提取BEAM單元單元上的力和彎矩，然後使用“VDI 2230-2003”標準校核程序方便地計算螺栓的疲勞強度。施(<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 24" title="24" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e529">24]對不同預緊力下螺栓連接結構進行疲勞試驗，得到了預緊力與螺栓疲勞壽命的關係。他還確定了高強度螺栓的最佳預緊扭矩範圍。翟(<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 25" title="25" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e532">25]研究發現，適當增大預緊力可以提高錨杆的平均應力，減小應力幅值。Juoksukangas等。[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 26" title="26" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e536">26]研製了預緊載荷和循環載荷對單螺栓連接疲勞壽命影響的試驗裝置。他觀察到微動疲勞壽命隨著預緊力和應力的增加而降低，並通過數值分析驗證了試驗結果。宋等。[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 27" title="27" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e539">27]研究了考慮螺栓材料極限強度10%、30%和50%預緊力時的螺栓疲勞性能，繪製了8.8級M8和M27螺栓在不同應力比下的最大預緊力和預緊力矩曲線。唐等人。[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 28" title="28" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e542">28]的結果表明，初始預緊不足會縮短螺栓的疲勞壽命，需要足夠的預緊才能保證螺栓連接的疲勞性能。然而，過大的初始預緊力會引起螺栓的拉伸變形，從而影響其可用性。因此，預緊力對螺栓的疲勞強度影響較大，必須根據工程要求選擇合適的預緊力。

現有研究為提高對螺栓鬆動疲勞影響因素、失效評估方法、仿真方法、預緊力應用方法、預緊力影響等方麵的認識做出了重要貢獻。然而，螺栓鬆動與疲勞不是獨立的過程，它們之間存在競爭失效關係，這取決於不同荷載的作用。螺栓在橫向載荷作用下主要表現為鬆動破壞，而軸向載荷作用下主要表現為疲勞破壞。橫向載荷加速錨杆疲勞，軸向載荷影響錨杆鬆動。然而，現有的關於不同預緊力下螺栓鬆動與疲勞的競爭失效關係和失效機理的研究還不夠充分。因此，為了更好地預測螺栓接頭的失效模式和失效壽命，必須研究複合激勵下螺栓接頭的競爭失效關係和預緊力對競爭失效的影響。

在本研究中，我們進行了不同預緊力下螺栓鬆動和疲勞的競爭破壞試驗，研究了複合激勵下螺栓鬆動與疲勞破壞的競爭關係，以及預緊力對競爭破壞的影響。驗證了複合激勵下螺栓鬆動疲勞的競爭失效現象，確定了決定螺栓競爭失效模式和失效壽命的影響參數。隨後，分析了預緊力對螺栓競爭破壞的影響。最後，給出8.8級高強螺栓的最佳預緊力計算公式，為工程應用提供參考。

采用MTS拉伸扭轉疲勞試驗機對複合激勵下的螺栓進行競爭性失效試驗。螺栓上的軸向載荷由試驗機直接施加，螺栓上的橫向載荷通過夾具將試驗機產生的扭矩轉換為剪力施加。試件為8.8級M8×1.25×70高強度螺栓，夾緊力由壓力傳感器記錄。試件的試驗機和試驗裝置如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">1．橫向和軸向載荷以相位差為90°的正弦方向施加。橫向荷載由位移控製，荷載比(ξ_T)為−1。軸向載荷由力控製，載荷比(ξ_一個)為0。在實際工程應用中，螺栓預緊力的計算一般采用式(<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="equation anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">1)：

在哪裏k為屈服強度係數，\({\σ}_ {\ mathrm{年代}}\)是螺栓材料的屈服強度，和\ ({} _ {\ mathrm {eff}} \)為螺栓的有效截麵積;\ ({} _ {\ mathrm {eff}} = \ uppi {d} _ {\ mathrm {e}} ^ {2} / {4} \),在那裏(\ d {} _ {\ mathrm {e}} \)為螺栓的有效直徑。

螺栓的初始預緊應力一般不應超過其屈服強度的80% [<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 29" title="29" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e768">29］．因此，在本研究中，將螺栓的初始預緊力分為四個等級，係數為k的屈服強度分別設為0.3、0.4、0.5和0.6。使用Eq. (<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="equation anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">1)時，預緊力計算為F_0.3= 7.03 kN,F_0.4= 9.37 kN,F_0．5=11.71 kN，和F_0.6=14.05 kN。不同預緊力下螺栓的複合激勵組合如表所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="table anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">1．經過競爭破壞試驗的試樣斷裂模式如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">2．螺栓要麼在螺栓工作螺紋的第一處斷裂，要麼在沿螺栓頭的過渡角處斷裂。由於這兩個位置的應力集中，以及這兩個截麵作為螺栓與被夾件接觸的界麵，複合應力最大，這兩個位置最容易發生斷裂破壞。此外，錨杆試件存在鬆動破壞和疲勞破壞兩種破壞模式，且斷裂模式並非唯一。這表明，兩種破壞模式之間存在競爭關係，這取決於不同的荷載形式。

夾緊力衰退曲線

複合激勵下錨杆夾緊力的衰退曲線是連續的，並平穩下降。一般情況下，該曲線可分為三個階段:材料鬆動期、結構鬆動期和疲勞斷裂期[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 30" title="30." href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e1887">30.］．在材料鬆動期間，螺栓材料的塑性變形使螺栓夾緊力迅速降低;在結構鬆動期間，螺栓內外螺紋接觸麵的相對運動使螺母旋轉，使螺栓夾緊力緩慢降低;最後，在疲勞斷裂期間，螺栓開裂膨脹，導致螺栓瞬時斷裂，夾緊力降為零。值得注意的是，以往的研究尚未建立明確統一的劃分方法來確定螺栓夾緊力衰退曲線各階段的劃分點，螺栓鬆動和疲勞的決定條件也未明確。

由於施加在螺栓上的載荷是正弦的，因此螺栓的夾緊力是波動的，螺栓夾緊力的衰退曲線是一個載荷寬幅。為了得到結構鬆動期與疲勞斷裂期的分界點，我們提出以夾緊力寬幅曲線均值與特定角度切線之間的切點作為分界點。對得到的螺栓夾緊力衰退曲線進行統計分析發現，當夾角從0°到90°變化時，夾角45°為最佳夾角，因此夾角為45°的夾緊力寬幅均值曲線的切點可作為結構鬆動期與疲勞斷裂期的分界點(表示為N_{2 _k}，k= 0.3, 0.4, 0.5，和0.6)。這個切點是唯一的。螺栓在切點前明顯表現出結構鬆動，在切點後明顯表現出疲勞斷裂，證明了方法的正確性。此外，Jiang等[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 9" title="9" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e1903">9]認為，對於硬質材料的高強度螺栓，當螺栓進入結構鬆動期時，鎖緊力降低到初始預緊力的90%左右，但這一定義是保守的。蔣等。[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 31" title="31" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e1906">31]將鎖緊力降低到初始預緊力的70%左右作為高強度螺栓完全鬆動的標準，這是危險的。研究發現，對於高強度螺栓，當螺栓夾緊力降低至初始預緊力的80%時，螺栓完全進入結構鬆動期;因此，可以用夾緊力來判斷螺栓是否有明顯鬆動。如果螺栓鎖緊力在結構鬆動期間降低到初始預緊力的80%(表示為N_{L_k}),也就是說,N_{L_k}<N_{2 _k}，螺栓鬆動失效;若螺栓夾緊力未降低至初始預緊力的80%，直至疲勞斷裂期(表示為N_fk),也就是說,N_fk>N_{2 _k}時，螺栓疲勞失效。

螺栓夾緊力的衰退曲線R=0.15 mm/kN和R= 0.06 mm/kN如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">3.(0.6 - 4表示橫向位移幅值為0.6 mm，軸向荷載幅值為4 kN, 0.6 - 10定義方法相同)。如圖所示，在不同初始預載下，當R=0.15 mm/kN時，所有後退曲線均滿足條件N_{L_k}<N_{2 _k}，即螺栓發生鬆動破壞;當R=0.06 mm/kN時，所有後退曲線均滿足條件N_fk>N_{2 _k}，即螺栓疲勞失效。同時，隨著初始預緊力的增大，錨杆的失效壽命先增大後減小R，相同的橫向載荷，不同的軸向載荷，螺栓的失效壽命不同。因此，螺栓的失效壽命由荷載幅值和預緊力決定，壽命最長的8.8級M8 × 1.25 × 70高強螺栓的最佳預緊力為F_0．5．

荷載比影響規律

進一步研究的影響R根據圖中所建立的判據，對競爭螺栓破壞模式進行分析<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">3.，表中所列各螺栓試件的破壞模式<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="table anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">1進行了區分，得到了各個螺栓試件的破壞模式。為了直觀地顯示螺栓的失效模式，可以使用R繪製了不同預載下-顯著破壞程度曲線，如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">4(當螺栓發生鬆動失效時)R> 0.15 mm/kN，圖中未顯示);年代_l表示螺栓鬆動失效的顯著程度和年代_F表示螺栓疲勞破壞的顯著程度。年代_l而且年代_F用以下公式計算:

根據圖<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">4(a)，可以得出結論，當R≤0.06 mm/kN時，螺栓疲勞失效，當R≥0.08 mm/kN時，螺栓鬆動破壞。因此，複合激勵下兩種破壞模式之間存在明顯的競爭破壞關係，且存在臨界值R存在螺栓鬆動失效和疲勞失效。當橫向荷載與軸向荷載之比大於的臨界值時R時，螺栓發生鬆動失效，而當小於的臨界值時R時，螺栓發生疲勞破壞。這意味著臨界R值是螺栓的固有屬性，它與螺栓的材料、尺寸和裝配方法有關，但與荷載的大小無關。此外，由於預緊力大時k=0.6時，螺栓容易發生局部塑性變形，使得鬆動破壞的數據離散度較大，曲線波動明顯。此外,圖<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">4(a)表示當的數值R為0.075 mm/kN左右時，螺栓達到鬆動疲勞臨界狀態，年代_l而且年代_F趨向於零。因此，關鍵R8.8級M8 × 1.25 × 70高強螺栓在複合激勵下的鬆動疲勞破壞值為0.075 mm/kN。此外，R不同預載作用下的-顯著度破壞曲線具有相同的破壞規律，證明錨杆的破壞模式僅由R並且不受初始預緊力的影響。因此，基於臨界值可以直接預測複合激勵下螺栓的破壞模式R價值。

的R-不同預緊力下的壽命曲線如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">4(b).如圖所示，螺栓的失效壽命先顯著增加，然後隨著的增加逐漸減小R在複合激勵下(軸向載荷為零時除外)。當橫向荷載一定時，軸向荷載隨著的增大而逐漸減小R．相反，隨著軸向載荷的增加，螺栓的失效壽命先緩慢增加後迅速降低。這說明軸向載荷較小可以抑製螺栓失效;當軸向載荷超過一定值時，複合激勵下螺栓的大複合應力使螺紋產生較大的塑性變形，降低了螺栓的疲勞壽命。複合激勵下螺栓螺紋表麵受力示意圖如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">5（F_k為螺栓的初始預緊力，F_T是外部橫向激勵，F_SA為螺栓的軸向激勵，α是螺旋角，μ₁是靜摩擦係數，和μ₂為滑動摩擦係數)。根據容克斜塊模型[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 3" title="3." href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e2381">3.]，當螺栓不受外載荷時，雖然塊體有向下滑動的趨勢，但斜麵和塊體保持靜止狀態，即螺栓螺紋處於自鎖狀態，因為向下的力F_k罪α沿斜麵的靜摩擦力小於μ₁F_k因為α．當螺栓隻受到外部橫向激勵時F_T時，斜麵與塊體之間發生相對滑動運動，兩者之間的摩擦由靜摩擦變為滑動摩擦。作為滑動摩擦力μ₂F_k因為α小於μ₁F_k因為α時，螺紋的自鎖狀態被打破，塊開始向下滑動，即螺栓的內外螺紋相互相對移動，螺栓鬆動。當螺栓受到複合激勵作用時，螺栓的軸向載荷增大，成為的合力F_k而且F_SA時，沿斜麵向下的力變為(F_k+F_SA)罪α，則靜摩擦力為μ₁（F_k+F_SA)因為α．橫向激勵F_T導致螺紋接觸麵之間橫向滑動;但是，由於斜麵和塊體接觸麵上的正壓力增大，滑動摩擦力增大μ₂（F_k+F_SA)因為α大於(F_k+F_SA)罪α在一定範圍內。因此，在螺紋接觸表麵之間不會發生相對運動，螺栓也不會鬆動。因此，較小的軸向載荷在一定程度上可以抑製螺栓失效;但當軸向載荷增大時，較大的複合拉剪應力使螺紋表麵產生較大的塑性變形，較大的軸向載荷加速了螺栓的破壞，從而降低了螺栓的疲勞壽命。

負載壽命曲線

複合激勵下螺栓的載荷-壽命曲線如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">6(a)(縱坐標為對數坐標)。由圖可知，當橫向載荷一定時，軸向載荷-壽命曲線不是單調遞減的。在小軸向載荷作用下，某些螺栓的失效壽命比純橫向載荷作用下要長。因此，軸向載荷不會加速螺栓的破壞。上述分析表明，較小的軸向載荷可以抑製螺栓的破壞。如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">6(b)，在不同初始預載荷下，小軸向載荷對螺栓破壞的抑製作用顯著程度不同。當預緊力較小時(k=0.3, 0.4, 0.5)時，除個別奇異數據點外，軸向載荷一般會加速螺栓破壞，但當預緊力較大時(k=0.6)時，較小的軸向載荷抑製了螺栓的破壞。這是因為在複合激勵下，沿螺紋向下的力為(F_k+F_SA)罪α，橫向靜摩擦力為μ₁（F_k+F_一個)因為α，橫向滑動摩擦力為μ₂（F_k+F_一個)因為α。當F_k減小時，螺紋上的正壓和橫向靜摩擦力減小。如果F_T高於μ₂（F_k+F_一個)因為α時，螺紋表麵之間發生橫向相對運動，沿螺紋表麵向上的摩擦力為μ₁（F_k+F_一個)因為α來μ₂（F_k+F_一個)因為α．作為μ₂（F_k+F_一個)因為α無法抵消向下的力(F_k+F_SA)罪α沿螺紋表麵，螺栓鬆動，螺栓破壞過程加速。因此，當預緊力較大時，軸向載荷能在一定程度上抑製螺栓破壞;當預緊力較小時，夾持載荷趨於零，螺紋接觸麵相對向下運動，軸向載荷已不能抑製螺栓失效。此外，圖<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">6(a)表明錨杆的平均失效壽命同時受到外部荷載和初始預緊力的影響，荷載-壽命曲線與初始預緊力的關係k=0.5是最高的。這進一步證明了螺栓的失效壽命是由荷載幅值和預緊力決定的，8.8級M8×1.25×70高強螺栓的最佳預緊力為F_0．5．

分析了複合激勵下錨杆斷裂的裂紋擴展規律以及初始預緊力對裂紋的影響。采用JSM-6610LV掃描電鏡對不同預緊力複合激勵(0.6 mm-4 kN)下斷裂的螺栓斷口表麵進行了觀察。宏觀斷口形態如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">7．典型疲勞斷裂根據形態特征可分為裂紋源區、裂紋擴展區和瞬時斷裂區3個區域[<一個data-track="click" data-track-action="reference anchor" data-track-label="link" data-test="citation-ref" aria-label="Reference 32" title="32" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3" id="ref-link-section-d81062046e2712">32］．在裂紋萌生階段，剪切應力在裂紋形成中起主導作用，裂紋沿最大剪切應變麵形成。裂紋一旦形成，正應力開始起主導作用，裂紋在正應力的循環作用下沿深度和側麵擴展。如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">7，螺栓斷裂同時存在裂紋源區(a)、裂紋擴展區(b)和瞬時斷裂區(c)。從宏觀上看，螺栓與被夾件兩個接觸界麵處的複合應力最大;應力集中導致兩界麵疲勞損傷累積，最終導致螺栓斷裂。微觀上看，錨杆裂紋源是剪應力產生的，而正應力增大了裂紋的擴展，導致錨杆斷裂。當複合激勵橫向載荷產生剪應力，且應力比為−1時，裂紋源對稱分布在螺栓斷裂兩側。錨杆周向表麵萌生多條裂紋，沿徑向向內部擴展，形成典型的多裂紋萌生破壞。軸向載荷產生正應力，應力比為零;因此，螺栓始終處於拉伸狀態。因此，裂紋一旦形成，在法向應力的循環作用下，裂紋沿深度和側麵穩定擴展。最終，它在裂縫中間瞬間斷裂，並產生一個瞬時斷裂區域。裂紋擴展區位於裂紋源區和瞬時斷裂區之間。

由於螺栓初始預緊力的不同，三個斷裂區域也存在一定的差異。當預緊力較大時，兩側裂紋擴展速度相近。瞬時斷裂區域更接近錨杆斷裂中心，區域較寬，斷裂台階不明顯。隨著預緊力的減小，兩側裂紋擴展速度有顯著差異。瞬時斷裂區域逐漸向一側移動並變窄，斷裂台階明顯。這是因為在橫向載荷作用下，螺栓周向表麵兩側出現多個裂紋，並在軸向載荷作用下沿深度和兩側擴展。較大的預緊力可以抵消外軸向載荷，保證鎖緊力始終大於零，螺栓始終承受法向應力，應力在斷裂兩側對稱分布。因此，裂縫兩側裂紋擴展速度基本相等，瞬時斷裂區域接近螺栓斷裂中心。然而，小的預緊力無法抵消軸向載荷，夾緊力最終可能變為零。當法向應力在0和正值之間變化時，由於螺紋螺旋角的存在，一側裂紋擴展速度比另一側快，導致螺栓受拉麵積和軸向載荷偏心量逐漸變化。 Therefore, the crack propagation speed on the side with the faster propagation is further accelerated until fracture. Owing to the superposition of the eccentric load and helix angle, the step of the bolt fracture becomes more pronounced, and the instantaneous fracture area becomes inclined towards one side when the preload is small. In addition, as a larger preload contributes to a larger axial load, when the crack propagates to a shallow depth, the remaining adhesion area breaks due to the higher normal stress. Conversely, when the preload is smaller, the normal stress is lower, and the broken adhesion area is also correspondingly smaller. Thus, as the preload increases, the width of the instantaneous fracture area also increases.

進一步放大螺栓斷口表麵的裂紋源區(a)、裂紋擴展區(b)和瞬時斷裂區(c)，觀察其微觀形貌，如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">8．如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">8(a)裂紋擴展區的多條徑向纖維條在裂紋源區聚集，形成多條徑向擴展裂紋。因此，該斷裂為典型的多裂紋起裂破壞。預載荷較小時，裂紋源區相對平坦明亮，斷口表麵磨損明顯，脊狀形態不明顯，表麵呈瓷狀結構。這是因為當預緊力較小時，的合力F_k而且F_SA螺栓上的法向應力小，而橫向荷載產生的剪應力大F_T占主導地位。由於剪切應力的作用，斷口被反複劃傷和磨損，裂紋源區變得相對光滑，呈瓷狀結構。隨著預緊力的增大，法向應力也隨之增大，從而抑製了剪切應力的劃傷和磨損效應。因此，裂紋源區變得粗糙，並逐漸出現脊狀形態。裂紋擴展區域如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">8(b)如圖所示，裂紋擴展區域的平滑度和平整度隨預緊力的增大而變化。預緊力較大時，法向應力較大，抑製了剪切應力的摩擦磨損效應。因此，裂紋擴展區域粗糙，疲勞條紋和白色韌帶更細、更清晰。而當預緊力較小時，由於剪切應力的磨損作用，裂紋擴展區域呈光滑片狀。瞬時斷裂麵積如圖所示<一個data-track="click" data-track-label="link" data-track-action="figure anchor" href="//www.saiwangsj.com/articles/10.1186/s10033-021-00663-3">8(c).如圖所示，存在大量鬆散的酒窩。預緊力較大時，正應力抑製剪應力的摩擦磨損效應，瞬時斷裂區域內的韌窩變大、變深且不規則，形成典型的等軸韌窩。當預緊力較小時，由於剪切應力的摩擦磨損作用，這些韌窩變小、變淺、變規則，形成典型的剪切韌窩。綜上所述，錨杆斷裂的微觀結構表明，錨杆斷裂受到複合激勵和預緊力的影響。由於正應力和剪應力的主導作用不同，宏觀斷口形貌差異較大，進一步證明錨杆鬆動破壞與疲勞破壞之間存在競爭關係，軸向載荷對錨杆破壞具有一定的抑製作用。

1. (1）

   複合激勵下螺栓鬆動與疲勞之間存在明顯的競爭失效關係。不同預緊力作用下螺栓破壞模式由複合激勵橫向荷載與軸向荷載的比值決定，與預緊力大小和激勵幅值無關。根據臨界值可以預測故障模式R價值。

2. （2）

   螺栓的失效壽命由預緊力決定，根據預緊力的大小可以預測螺栓的激勵幅值和失效壽命。對於8.8級高強螺栓，最佳預緊力計算公式為F \ ({} _ {\ mathrm {k}} = 0.5{\σ}_ {\ mathrm{年代}}{一}_ {\ mathrm {eff}} \)．

3. （3）

   在複合激勵條件下，小軸向載荷對螺栓失效的抑製作用取決於預緊力。當預緊力較大時，軸向載荷能在一定程度上抑製螺栓破壞，而當預緊力較小時，軸向載荷不能抑製螺栓破壞。

4. （4）

   預緊力較小時，錨杆斷裂主要受剪切應力引起的摩擦磨損影響。預緊力較大時，錨杆斷裂主要受法向應力影響，抑製了剪應力的摩擦磨損效應，證明錨杆鬆動與錨杆疲勞之間存在競爭破壞關係，軸向載荷能抑製錨杆破壞。

不適用。

國家自然科學基金資助項目(No.;牽引動力國家重點實驗室獨立課題(批準號:51675446);2019 tpl-t13)。

作者及隸屬關係

1. 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031

   楊光武，楊龍，陳景鬆，肖壽恩，蔣世林

貢獻

LY和GY負責整個試驗;LY撰寫了手稿;SX, SJ和JC協助采樣和實驗室分析。所有作者都閱讀並批準了最終的手稿。

作者的信息

楊光武，1977年出生，現任北京大學教授西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，中國．他獲得了汽車工程博士學位西南交通大學，中國2005年。主要研究方向為汽車結構強度和疲勞。

楊龍，1993年生，現任西安交通大學博士研究生西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，中國．他在大學獲得學士學位蘭州交通大學2017年。主要研究方向為螺栓緊固件失效機理。

陳景鬆，1997年出生，現為清華大學碩士研究生西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，中國。他在大學獲得學士學位中國大連交通大學在2020年。主要研究方向為汽車結構強度和疲勞壽命預測。

肖壽恩，1964年出生，現任北京大學教授牽引動力國家重點實驗室，西南交通大學，中國．他獲得了固體力學碩士學位西南交通大學，中國1988年。主要研究方向為汽車結構強度和結構優化。

蔣世林，1995年出生，目前是一名工程師中國鐵路工程服務有限公司．他在某某大學獲得碩士學位西南交通大學，中國在2020年。主要研究方向為汽車結構強度和疲勞壽命預測。

相應的作者

對應到<一個id="corresp-c1" href="mailto:yanglong6788@163.com">長楊．

相互競爭的利益

作者聲明沒有相互競爭的經濟利益。

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