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精品高强螺栓脆性断裂研究及实例分析
高强螺栓脆性断裂研究及实例分析
摘要:
本文简要回顾了高强螺栓的发展历程,介绍了当前高强螺栓研究的现状及动态,总结了钢材脆性断裂理论、脆性断裂的影响因素及高强螺栓的断裂分析。
关键词:
高强螺栓;脆性断裂;
ResearchonBrittleFractureofHighStrengthBoltandAnalysisbyExample
Abstract:
Thearticlebrieflyreviewedthedevelopmentcourseofhighstrengthbolt,introducedthecurrentstatusandtrendsofhighstrengthbolt,andsummarizedthetheoryofbrittlefractureandinfluencedfactorsandthefractureAnalysisofstrengthbolt.
Keywords:
highstrengthbolt;brittlefracture;
0引言
我国从1957年起开始研究高强度螺栓及其连接,并首先运用于桥梁。
这为我国钢结构采用高强螺栓连接奠定了基础。
在以后修建成昆铁路时推广了此项新技术,使高强螺栓连接技术得到了提高和发展。
在材料使用方面,我国高强度螺栓制作从开始时使用45号钢和40硼钢材料逐步转变到使用具有更好力学性能和工艺性能的20MnTiB钢。
高强度螺栓的应用范围也逐渐广泛,从原来的桥梁结构扩展到各种钢结构、机械结构设备,甚至宇宙飞船、海洋钻井平台的使用。
大量各种连接形式的静力试验和疲劳试验,为高强度螺栓连接合理设计提供了可靠的参数。
1高强螺栓的研究现状
1。
1国外现状:
美国伊利偌斯大学的RajasekhaaranS.Hair等对单螺栓连接和T字型双螺栓连接进行了试验和理论分析,得出了高强度螺栓的撬力作用会大大降低T字型双螺栓连接的极限承载力和疲劳强度的结论。
荷兰的StarkJWB和BijlaardFSK对由高强度螺栓构成的钢框架节点的弯矩一曲率关系进行了研究。
意大利学者GiroFaena等对T字型螺栓连接进行了试验分析。
并总结了影响高强度螺栓预拉力的主要因素。
另外,美国的YangJun和DewoIfJohn.T则对高强度螺栓预拉力的松弛现象进行了探索。
1.2国内现状:
螺栓端板连接的节点性能研究;高强度螺栓抗滑移系数、屈服强度和极限承载力的试验研究;高温下高强度螺栓受力性能的实验和理论研究;高强度螺栓疲劳断裂分析及寿命估算;对高强度螺栓以ANSYS有限元软件为研究手段,进行各种受力模拟、分析;对高强螺栓螺纹形式、螺纹根部应力集中、螺纹牙根圆角半径的研究;对高强螺栓钢以高设计应力、轻量化为目标的研究,完善制造工艺、新型功能螺栓、超高强度螺栓钢的研究。
2脆性断裂理论及影响因素
2。
1脆性断裂理论
螺栓的破坏通常可分为塑性和脆性两种形式。
其中脆性破坏是结构极限状态中最危险的破坏形式之一。
这主要是它的发生往往是很突然、没有明显的塑性变形,而且构件破坏时的承载能力很低。
脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力(低于钢材屈服强度或抗拉强度)情况下发生的突然断裂破坏。
典型的脆性断裂可以表现为沿一定结晶平面的劈裂(解理断裂)和沿晶界的断裂。
在承受载荷的金属材料中,当某一部位形成了裂纹核之后,它们会进一步聚集长大,当裂纹达到某一临界尺寸时,将会发生解理断裂。
在一般情况下,首先在承受载荷材料的缺口根部出现应力集中和应变集中,形成塑性区。
当应力达到临界应力f时,便会产生解理裂纹的扩展,在扩展过程中将前方裂纹核连成一片,最后导致解理断裂。
螺栓的脆性断裂通常具有以下特征:
①破坏时的应力常小于钢材的屈服强度fy,有时仅为fy的0。
2倍。
②破坏之前没有显著变形,吸收能量很小,破坏突然发生,无事故先兆.③断口平齐光亮
2.2脆性断裂的原因
1材质缺陷
当钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时,将会严
重降低其塑性和韧性,脆性则相应增大。
钢中碳元素含量增高会使钢的脆性转变温度升高。
随着含碳
量的增加,钢的最大恰贝冲击值显著降低。
恰贝冲击值与试验温
度曲线梯度趋于缓慢,而脆性转变温度显著升高,钢中磷含量的
增加使晶界断裂应力降低,脆性转变温度升高,钢中含0.1%以上的磷就会引起晶界断裂应力降低。
磷对钢脆性转变温度影响随磷含量增加,钢脆性转变温度升高,硫与磷的存在对钢的断裂韧性起有害作用。
随硫、磷的含量的增加,钢的K1C值下降。
硫、磷含量增加使该钢K1C降低,硫危害性更大。
钢中锰元素的存在对改善其脆性性能有一定帮助,随锰与碳之比值提高,碳、磷有害作用下降,钢的脆性转变温度显著降低.
硫、磷降低钢的断裂韧性的原因,主要有两点:
①偏聚于原始奥氏体晶界,促使品界脆化;②硫化学反应生成MnS在基体中形成脆性微裂纹起源核心,使微裂纹成核源增加,导致脆断容易发生。
减少钢中硫、磷含量是改善钢断裂韧性的重要途径,特别是超高强度钢。
选用适宜的冶炼方法是提高钢的纯度最直接、最易实现的途径,与普通电炉炼钢法相比,采用真空冶炼能提高钢的纯度,超高强度钢一般用真空自耗炉(或真空电弧炉)重熔,以减少钢中杂质和偏析,以提高钢断裂韧性。
各先进工业国都对硫、磷含量作了较低规定,一般都限于0.06%以下,但我国各大钢厂所产钢材偏析依然较重。
质量不稳定,影响偏析的因素中(铁矿石元素、炼钢方法、钢锭大小、冶炼技术等),主因是炼钢方法和冶炼技术,偏析大将会引起热脆、冷脆、裂缝、疲劳等一系列问题.
2应力集中
当钢材在某一局部出现应力集中,则出现了同号的二维或三维应力场
使材料不易进入塑性状态,从而导致脆性破坏。
应力集中越严重,钢材的塑性降低愈多,同时脆性断裂的危险性也愈大.钢结构或构件的应力集中主要与构造细节有关:
3使用环境
当螺栓受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时,螺栓脆性破坏的可能性增大。
在0℃以上,当温度升高时,钢材的强度及弹性模量均有变化,一般是强度降低,塑性增大.温度在200℃以内时,钢材的性能没有多大变化。
但在250℃左右钢材的抗拉强度反弹,fy有较大提高,而塑性和冲击韧性下降出现所谓的“蓝脆现象”,此时进行热加工钢材易发生裂纹。
当温度达600~C,及E均接近于零,钢结构几乎完全丧失承载力。
当温度在0℃以下,随温度降低,钢材强度略有提高,而塑性韧性降低,脆性增大.尤其当温度下降到某一温度区间时,钢材的冲击韧性值急剧下降,出现低温脆断。
通常又把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆现象”,产生的裂纹称为“冷裂纹”.
4加载速率的影响
大量实验表明,高的加载速率会使材料出现脆断的危险增加,一般认为其影响与降低温度相当。
随着变形速率的增大,材料的屈服强度将会增加,其原因是材料来不及进行塑性变形和滑移,因而位错摆脱束缚进行滑移所需的热激活时间减少,使脆性转变温度提高,所以易于产生脆断.当试件上有缺口时,应变速率的影响更为显著.脆性裂纹一经产生,裂纹尖端就会有很严重的应力集中,这一急骤增加的应力,相当于一个加载速率很高的荷载,使裂纹迅速失稳扩展,最后使整个结构发生脆性破坏。
综上,材质缺陷,应力集中,使用环境
及加载速率是影响脆性断裂的主要因素,其中应力集中的影响尤为重要。
在此值得一提的是,应力集中一般不影响钢结构的静力极限承载力,在设计时通常不考虑其影响.但在动载作用下,严重的应力集中加上材质缺陷,残余应力,冷却硬化,低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因。
3螺栓的失效形式
(1)螺杆的螺纹脱扣;
(2)螺母的螺纹脱扣;
(3)螺杆和螺母的螺纹均脱扣;
(4)螺栓和螺母由于松动而丧失工作能力;
(5)螺杆的断裂。
4高强螺栓脆性断裂的分析
引起螺栓脆性断裂的原因也包含于上述脆性断裂原因之中,主要有化学成分、金相组织、机械性能、应力集中方面.
高强度螺栓克服了普通螺栓承载力低的缺点,其静强度和疲劳强度比同尺寸的铆接还要高。
但是,在工程应用中发现,尽管在选用高强度螺栓时已进行过理论计算,并考虑了强度储备,但在实际使用中仍会不时出现高强度螺栓的断裂现象,给生产和安全带来隐患,甚至造成生命财产的重大损失。
因此,高强度螺栓的断裂是一个十分典型的事例,由此造成的事故屡屡发生,经济损失相当惊人.
6结束语
随着设计理论的不断突破和工艺手段的不断提高,以及新材料的不断应用,新的解决措施会不断地出现。
针对目前工程项目中的实际情况,对常见螺栓连接强度采取了相应的措施,提高了螺栓设计中连接的安全性。
参考文献:
[1]郑琛,朱金华.13.9级ADF1发动机螺栓的延迟断裂分析[J].空军工程大学学报(
自然科学版),2003,5(4):
10一l2.
[2]李建平,黄文长,冯继军.12.9级缸盖螺栓的延迟断裂分析[J].汽车科技,2001,4(4):
16-18.
[3]惠卫军,董瀚,翁宇庆,等.Mo对高强度钢延迟断裂行为的影响[J].金属学报,2004,12(12):
1274—1280.
[4]惠卫军,董瀚,翁宇庆,等.高强度螺栓钢的合金设计和性能[J].钢铁研究学报,2003,4
(2):
3O一33.
[5]成大先.机械设计手册[M].北京:
化学工业出版社.2002.
[6]濮良贵.机械设计[M]。
北京:
高等教育出版社。
2006.
[7]刘鸿文.材料力学[M]。
北京:
高等教育出版社。
2003。
[8]金蔚静.双头螺栓失效分析[J].理化检验:
物理分册,2003,39(5):
268-270.
[9]王永庆.30CrMnSiNi2A螺栓断裂分析[J].理化检验:
物理分册,2000,36(10):
461-463.
[10]胡晓辉.3Cr13钢弹簧片断裂分析[J].理化检验:
物理分册,2005,41(10):
515—517.
[11]吴建国.氢气对金属材料之影响[J].材料导报,2004,a8(8):
119—120.
[12]杨兴林,张俊苗,陈宇光.35CrMnSiA高强度螺栓断裂失效分析[J].江苏科技大学学报:
自然科学版,2008,22(5):
33.
[13]张栋,钟培道,陶春虎,等。
失效分析[M].北京:
国防工业出版社,2005.
[14]胡世炎.机械失效分析手册[M].成都:
四川科学出版社,1999.
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