平均应力对68级螺栓材料的高周疲劳行为的影响李瑞

平均应力对平均应力对6868级螺栓材料的高周疲劳行为的影响李瑞级螺栓材料的高周疲劳行为的影响李瑞 第40卷第4期2019年4月材料热处理学报T ANSACTIONS OFMATE IALS ANDHEAT T EATMENTVol 40No 4April2019DOI 10 13289 j issn 1009 6264 2018 0526平均应力对6 8级螺栓材料的高周疲劳行为的影响李瑞1 马恒1 周相海2 钱苗1 钱科1 王斌2 张鹏2 1 浙江华电器材检测研 究所有限公司 浙江杭州310015 2 中国科学院金属研究所 辽宁 沈阳110016 摘要 研究了6 8级螺栓材料在不同恒定平均应力下的高 周疲劳行为 结果表明 当外加恒定平均应力为 76 229和380MPa时 6 8级螺栓材料的疲劳强度分别为 317 284和265MPa 疲劳强度随外加恒定平均应力的增大而降低 绝大部分样品的疲劳裂纹萌生于样品表面 在长寿命区内 有少部 分样品的疲劳裂纹从样品内部的夹杂物处萌生 关键词 6 8级螺栓材料 恒定平均应力 疲劳强度 高周疲劳行为 TG1 42 4文献标志码 A 1009 6264 2019 04 0062 06Influence of average stresson high cycle fatiguebehavior of6 8grade boltmaterialLI ui1 MA Heng1 ZHOU Xiang hai2 QIAN Miao1 QIAN Ke1 WANG Bin2 ZHANG Peng2 1 Zhejiang HuadianEquipment TestingInstitute CoLtd Hangzhou310015 China 2 Institute ofMetal esearch Chinese Academyof Sciences Shenyang110016 China Abstract The high cycle fatiguebehavior of6 8grade boltmaterial underdifferent constant average stresseswas investigated The resultsshowthat whenthe applied constant average stress is76 229and380MPa respectively the fatigue strength of the6 8grade boltmaterialis317 284and265MPa respectively and the fatigue strengthdecreases withthe increaseof the appliedconstant averagestress The fatiguecrack ofmost specimensoriginates onthe surfaceof thesample and inthe long life region thefatiguecrack ofa fewspecimensoriginates fromthe interiorinclusions Keywords 6 8grade boltmaterial constantaveragestress fatigue strength high cycle fatiguebehavior 2018 12 13 修订日期 2019 01 14作者简介 李瑞 1963 男 教授 学士 主要从事电力器材检测技术研究 发表论文10 余篇 电话E mail163 通信作者 王斌 1990 男 助理研究员 博士 主要从事材料疲劳性能优化及机理研究 发表论文8篇 电话E mail bwang12s imr ac 引用格式 李瑞 马恒 周相海 等 平均应力对6 8级螺栓材料的 高周疲劳行为的影响 J 材料热处理学报 2019 40 4 62 67 LI ui MA Heng ZHOU Xiang hai et al Influence ofaveragestresson high cycle fatiguebehavior of6 8grade boltmaterial J Transactions ofMaterials andHeat Treatment 2019 40 4 62 67 输电铁塔是电网的重要组成构件 关系到电网的安全 一旦出现倒塔 常常会造成输电中断 并带来较大的经济损失 有时甚至可能导致人员伤亡 1 输电铁塔通常由型钢 钢管或组合截面杆通过螺栓连接而成 而螺栓 的松脱与疲劳破坏往往是影响其服役寿命及安全可靠性的重要因素 2 一旦出现螺栓的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 尤其在大风等恶劣自然环境中 这种失效行为的影响额外突出 因而 提高螺栓连接的安全可靠性 成为关乎铁塔安全服役的重要 因素 2 螺栓在安装时 需通过拧紧螺栓接头以保证连接件紧密结合在一起 而此时螺栓自身通常会受到一个拉伸应力的作用 这个作用于螺 栓的拉伸应力被称为预紧力 3 当预紧力较小时 螺栓在外加载荷作用下通常容易发生松动 进而 导致连接件之间出现间隙 输电铁塔刚度大幅下降 并引起最终失 效 4 因此 为防止螺栓松脱 要求将螺栓预紧力提高至临界屈服条件 然而 预紧力的引入使得螺栓受到一个恒定的拉应力 必然会影响 螺栓的疲劳损伤行为 要确保螺栓的长期服役安全性 不能一味提高预紧力 而第4期李瑞 等 平均应力对6 8级螺栓材料的高周疲劳行为的影响忽略了螺栓所 受预紧力对其服役寿命的影响 因此 研究不同预紧力对螺栓疲劳性能的影响具有极其重要的工程 意义 螺栓用材料为工程应用中常用的钢铁材料 前人对其疲劳性能已有 了大量的研究 然而 常规疲劳性能测试通常采用恒定应力比的方法获得应力 寿命 S N 曲线 这必然导致不同应力幅测试条件下的外加应力发生改变 与预紧条件下的螺栓受力情况不一致 因此 十分有必要对螺栓疲劳评价方法进行设计 进而深入研究不 同预紧力对螺栓疲劳性能的影响 鉴于以上工业应用背景 本文选取6 8级螺栓材料为研究对象 以恒 定外加平均应力的方式来模拟预紧力 研究不同恒定外加平均应力 预紧力 对螺栓材料高周疲劳性能的影响 同时对不同恒定外加应力 预紧力 下的高周疲劳断口形貌进行观察 1实验材料及方法6 8级螺栓的化学成分如表1所示 从6 8级螺栓上截取小块金相样品 先后对其进行砂纸研磨 机械抛 光及腐蚀 腐蚀液为5 的硝酸酒精溶液 最后用OLYMPUS GX71光学显微镜对螺栓材料的微观组织进行观察 拉伸样品的形状为 狗骨 状圆棒试样 标距段长度为20mm 直径 为5mm 室温拉伸试验在INST ON8801试验机上进行 拉伸速率为10 3 s 疲劳样品同样为 狗骨 状圆棒试样 标距段长度与直径分别为20 和5mm 室温疲劳试验在INST ON8801试验机上进行 试验采用正弦波加载 频率为40Hz 保持外加平均应力恒定 平均应力分别为抗拉强度 的10 30 与50 疲劳试验一直做到107周不断为止 疲劳强度采用升降法测定 有效 试样至少3对 最后 利用FEI QUANTA600扫描电镜对疲劳断口形貌进行观察 表16 8级螺栓材料的化学成分 质量分数 Table1Chemical positionof the6 8grade boltmaterial mass fraction C SiMn PS CrNi CuFe0 450 220 650 0150 0140 020 010 03Bal 2实验结果与讨论2 1微观组织与拉伸性能6 8级螺栓材料的光学显微组织如图1所示 由图1 a 可以看出螺栓材料的微观组织主要是铁素体与珠光体 珠 光体大部分位于晶界附近 而由图1 b 的放大形貌则可以看到珠光体 的铁素体与渗碳体片层 图16 8级螺栓材料的光学显微组织 a 低倍照片 b 高倍照片Fig 1 Metallographic photographsof the6 8grade boltmaterial a low magnification b high magnification6 8级螺栓材料的工程应力 应变曲线如图2所示 由图2可以看出 螺栓材料在屈服之后经历了较长的加工硬化过程才 达到极限抗拉强度 6 8级螺栓材料的拉伸性能如表2所示 其抗拉强度为 764 1 MPa 屈服强度为 613 15 MPa 断后伸长率为 18 3 0 3 由上可知 6 8级螺栓材料的基本力学性能满足标准 5 6 的要求 表26 8级螺栓材料的基本力学性能Table2Basic mechanicalproperties of6 8gradebolt materialMaterialYieldstrength MPaUltimate tensilestrength MPaElongation tofracture 6 8grade boltmaterial613 15764 118 3 0 336材料热处理学报第40卷图2 6 8级螺栓材料的工程应力 应变曲线Fig 2Engineering stress strain curveofthe6 8gradebolt material2 2疲劳性能与断口形貌由表2的实验结果可知 外加恒定 平均应力为10 30 与50 抗拉强度所对应的应力值约为 76 229和380MPa 图3给出了6 8级螺栓材料在不同外加恒定平均应力下的应力幅 寿命曲线 由图3可以看出 随着外加恒定平均应力的增大 螺栓材料所图36 8 级螺栓材料在不同外加恒定平均应力下的应力幅 寿命曲线Fig 3Stress amplitude number ofcycles tofailure curvesofthe6 8grade boltmaterial underdifferent appliedconstantaverage stresses能承受的应力幅逐渐减小 疲劳试验的加载方式由拉 压转变为了拉 拉 应力比逐渐增大 图4给出了6 8级螺栓材料在不同外加恒定平均应力下的疲劳强度升 降图 由图4可以看出 用于计算 76 229与380MPa恒定平均应力下疲劳强度的数据点分别为 3 3和4对 通过计算可以得出 76 229与380MPa恒定平均应力下的疲劳强度分别为 317 284和265MPa 图5给出了外加恒定平均应力与疲劳强度之间的关系 由图可以看出 疲劳强度是随着外加恒定平均应力的增大而一直降低的 一般情况下 材料的屈服强度被认为是位错滑移的阻力 且屈服强 度越高 位错滑移的阻力也越大 7 对相同材料而言 所受的最大外加循环应力越大 其产生的正向滑 动位错就越多 而在本研究中 试样所受的外加恒定平均应力越大 其产生的正向 滑动位错就越多 Mughrabi 8 指出位错的不可逆滑移是引起疲劳损伤的一个主要原 因 通常情况下 相比于波状滑移 平面滑移能有效地提高位错的滑移 可逆性 进而延缓疲劳裂纹萌生 9 如果是完全的平面滑移 在循环变形过程中 位错将不会产生交滑 移并与其异号位错相遇而发生位错缠结 当然这只是一种理想状态 对相同的位错滑移模式来说 降低正向滑动位错数量能在一定程度 上减少交滑移的位错数量 这样在疲劳的反向变形过程中 正向加载 产生的滑动位错就不容易与其异号位错相遇并发生缠结 由上可知 想要承受不同外加恒定平均应力的样品内部产生相同的 疲劳损伤 就需要承受较低外加恒定平均应力的样品承受更大的外 加循环应力幅 以增大位错反向滑动的距离来增大异号位错相遇的 几率 因此 在本研究中 疲劳强度 应力幅 会随着外加恒定平均应力的 增大而一直降低 对高周疲劳来说 疲劳裂纹的萌生寿命占据了总寿命的90 以上 10 对钢铁材料而言 疲劳裂纹可以从样品表面的滑移带 晶界 相界 或划痕以及样图46 8级螺栓材料在不同外加恒定平均应力下的疲劳 强度升降图Fig 4Fatigue strengthdiagrams ofthe6 8grade boltmaterial underdifferent appliedconstantaveragestresses a 76MPa b 229MPa c 380MPa4 6第4期李瑞等 平均应力对6 8级螺栓材料的高周疲劳行为的影响图5 外加恒定平均应力与疲劳强度之间的关系Fig 5 elationship betweentheappliedconstantaverage stressand fatigue strength品内部疏松或夹杂物处萌生 11 13 疲劳断口观察结果显示 绝大部分样品的疲劳裂纹萌生于样品表面 而在长寿命区内 有少部分样品的疲劳裂纹是从样品内部的夹杂物 处萌生的 见图3 图6给出了典型表面诱发疲劳裂纹萌生样品的断口形貌 高周疲劳断口可以分为裂纹萌生区 裂纹扩展区与瞬断区 14 15 由图6 a 可以明显的区分出裂纹萌生区 扩展区以及瞬断区 裂纹萌生区的微观形貌如图6 b 所示 由图可以看出 疲劳裂纹萌 生于样品表面 并呈扇形放射状向样品内部扩展 在疲劳裂纹扩展区内 断口表面有许多河流花样与解理片层 图6b和 6c 在瞬断区内 断口表面形成了大量的韧窝 体现出了拉伸断裂的特 征 如图6 d 所示 图6典型表面诱发裂纹萌生样品的断口形貌 a 宏观形貌 b 裂纹萌 生区形貌 c 裂纹扩展区形貌 d 瞬断区形貌Fig 6Fracture morphology of typicalsurface induced crack initiation specimens a macroscopic morphology b morphology ofcrack initiationarea c morphology ofcrack growtharea d morphology offinal fracturearea典型夹杂物诱发裂纹萌生样品的断口形貌如图7所示 由图7 a 可以看出 裂纹萌生及扩展区的面积只占据了断口总面积 很小的一部分 这也能从侧面说明 对高周疲劳来说 疲劳裂纹的萌 生寿命占据了总寿命的绝大部分 10 裂纹萌生区的微观形貌如图7 b 所示 由图可以看出 疲劳裂纹萌 生于样品内部的球形夹杂物 并呈圆形放射状向四周扩展 球形夹杂物的放大形貌如图7 c 所示 通过能谱 EDS 分析发现 图7 d 球形夹杂物应该为Al2O3或CaO 而类似的夹杂物诱发裂纹萌生 的现象在CM400马氏体时效钢的高周疲劳过程中也被发现过 16 研究表明 夹杂物的存在是对钢铁材料的高周疲劳性能有害的 17 18 因此 需要提高冶金质量 减小或者消除夹杂物来提高螺栓材料的 高周疲劳性能 56材料热处理学报第40卷图7典型夹杂物诱发裂纹萌生样品的断口形 貌 a 宏观形貌 b 裂纹萌生区形貌 c 夹杂物的放大形貌 d 夹杂 物的能谱分析图Fig 7Fracture morphologyof typicalinclusion induced crackinitiation specimens a macroscopic morphology b morphologyofcrackinitiationarea c microscopi c morphologyof inclusion d EDS analysisof inclusion3结论1 6 8级螺栓材料的抗拉强度为 764 1 MPa 屈服 强度为 613 15 MPa 断后伸长率为 18 3 0 3 其力学性能满 足标准要求 2 当外加恒定平均应力为 76 229和380MPa时 6 8级螺栓材料的疲劳强度分别为 317 284和265MPa 疲劳强度随外加恒定平均应力的增大而降低 3 绝大部分样品的疲劳裂纹萌生于样品表面 在长寿命区内 有少部 分样品的疲劳裂纹从样品内部的夹杂物处萌生 建议提高冶金质量 减小夹杂物尺寸来优化螺栓材料的疲劳强度 参考文献 1 郭念 覃伟平 冯衡 等 基于实际风速的输电塔疲 劳寿命预测 J 电力勘测设计 2018 7 62 66 GUO Nian QIN Wei ping FENG Heng et al Fatigue lifeprediction oftransmission towerbased onthe actualwind speed J Electric PowerSurvey andDesign 2018 7 62 66 2 赵建平 张姚斌 王春耀 输电塔架联接螺栓横 向振动试验研究 J 大学学报 自然科学版 2018 35 2 243 247 ZHAO Jian ping ZHANG Yao bin WANG Chun yao Experimental studyon lateralvibration oftransmissiontowers usingbolt J Journal ofXinjiang University Natural ScienceEdition 2018 35 2 243 247 3 闫琳 任娜 康建伟 等 浅析预紧力对螺栓 强度的影响 J 汽车实用技术 2018 17 98 99 YAN Lin EN Na KANG Jian wei et al Finite analysisof pre tension force effects on bolt strength J Automobile AppliedTechnology 2018 17 98 99 4 郭卫凡 唐文良 螺栓联接的预紧力与疲劳强 度的讨论 J 科技视界 xx 23 65 66 GUO Wei fan TANG Wen liang A discussionof effectof preloadonboltjoint fatiguestrength J Science andTechnology Vision xx 23 65 66 66第4期李瑞等 平均应力对6 8级螺栓材料的高周疲 劳行为的影响 5 王晓梅 GB T699 xx 优质碳素结构钢 标准解析 J 模具技术 xx 3 44 47 WANG Xiao mei Analysis ofGB T699 xx Quality carbonstructure steels standard J Die andMould Technology xx 3 44 47 6 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 GB T6478 xx 冷镦和冷挤压用钢 S 北京 中国标准出版社 xx General Administrationof QualitySupervision Inspection andQuarantine ofthe People s epublic of China GB T6478 xx steels forcold headingand coldextruding S Beijing Standards PressofChina xx 7 Wang B Zhang ZJ Shao CW et al Improving thehigh cycle fatiguelives ofFe 30Mn 0 9C twinning induced plasticitysteelthrough pre straining J Metallurgical andMaterials TransactionsA xx 46 3317 3323 8 Mughrabi H Cyclic slipirreversibility andfatigue life A microstructure based analysis J Acta Materialia xx 61 4 1197 1203 9 Li P Li SX Wang ZG et al Fundamental factorson formationmechanism ofdislocation arrangementsin cyclicallydeformed fsinglecrystals J Progress inMaterials Science xx 56 3 328 377 10 Pang JC Li SX Wang ZG et al General relationbetween tensilestrength andfatiguestrength of metallicmaterials J MaterialsScience and Engineering A xx 564 331 341 11 庞建超 高强度金属材料的疲劳与断 裂研究 D 沈阳 中国科学院金属研究所 xx PANG Jian chao Investigation on fatigue andfracture ofhigh strength metallicmat