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；ResearchonBrittleFractureofHighStrengthBoltandAnalysisbyExampleAbstract: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.\o"AutoLISP实例教程"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．