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輸電鐵塔是電網(wǎng)使用的重要構(gòu)件，鐵塔緊固螺栓的服役可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全[1,2]。螺栓的松脫和疲勞破壞是影響輸電鐵塔服役壽命和安全可靠性的重要因素。螺栓一旦失效將打破整個(gè)輸電鐵塔的受力平衡，從而加速輸電鐵塔的損傷破壞。尤其是在大風(fēng)等惡劣自然環(huán)境中，這種失效行為的影響格外突出[3,4,5,6,7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)螺栓疲勞失效的研究結(jié)果表明，螺栓的疲勞破壞主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，螺桿與螺帽的螺紋間存在明顯的擠壓，在受到往復(fù)風(fēng)力等的作用下螺紋根部承受明顯的交變載荷作用，螺紋一旦斷裂將引起螺栓脫扣，從而使其迅速松動(dòng)[3,8,9,10,11]；另一方面，螺桿本身受到預(yù)緊力與桿件剪切應(yīng)力的雙重作用，也存在著疲勞損傷的問(wèn)題[5,12,13]。因此，研究螺栓的疲勞性能對(duì)于確保大風(fēng)大溫差區(qū)域電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行有重要的意義。

螺紋根部為螺栓的應(yīng)力集中部位，也是易發(fā)生疲勞破壞的位置，尤其是第一扣螺紋的根部。鑒于此，本文選擇輸電鐵塔用8.8級(jí)螺栓用鋼ML40Cr為研究對(duì)象，先在交變載荷作用下選取實(shí)驗(yàn)用材料抗拉強(qiáng)度的50%作為平均應(yīng)力加載，對(duì)棒狀的試樣進(jìn)行拉-拉疲勞實(shí)驗(yàn)，確定材料的缺口敏感度，研究螺栓用鋼的疲勞可靠性。對(duì)單邊缺口試樣進(jìn)行對(duì)稱(chēng)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)研究螺栓用鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，并通過(guò)掃描電鏡對(duì)樣品的疲勞斷口進(jìn)行觀察與分析系統(tǒng)地研究8.8級(jí)螺栓用鋼ML40Cr的疲勞性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用材料為標(biāo)準(zhǔn)的8.8級(jí)螺栓用鋼ML40Cr，其公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度為800 MPa，屈強(qiáng)比為0.8。這種鋼的化學(xué)成分列于表1。

 

將初始樣品進(jìn)行機(jī)械研磨和拋光處理后用4%的硝酸-酒精溶液腐蝕，制備金相試樣。然后在Olympus GX71金相顯微鏡下對(duì)樣品的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析。對(duì)樣品進(jìn)行應(yīng)力控制的拉-拉疲勞實(shí)驗(yàn)及對(duì)稱(chēng)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，按照國(guó)標(biāo)《GB/T3075-2008》加工光滑疲勞試樣，其尺寸如圖1a所示。在使役環(huán)境下，螺栓的受力形式主要是沿螺桿的軸向，按照臺(tái)架試驗(yàn)的加載條件，在有限元模擬中對(duì)螺栓施加沿軸向60 kN的預(yù)緊力，理論計(jì)算出螺紋的名義應(yīng)力為177.39 MPa。模擬結(jié)果表明螺紋根部為螺栓應(yīng)力集中位置，因此提取了第一圈嚙合螺紋根部沿軸向應(yīng)力的平均值，軸向應(yīng)力的平均值為712.02 MPa，計(jì)算出應(yīng)力集中系數(shù)為4.01。根據(jù)得到的螺栓螺紋應(yīng)力集中系數(shù)設(shè)計(jì)缺口圓棒試樣的缺口尺寸。為了使缺口疲勞測(cè)試樣品受力條件與實(shí)際服役條件相吻合，反復(fù)更改樣品尺寸進(jìn)行模擬計(jì)算后確定缺口尺寸，如圖1b所示。此時(shí)圓棒試樣的應(yīng)力集中系數(shù)是3.98，與實(shí)際受力情況相似。對(duì)稱(chēng)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)所采用的單邊缺口試樣尺寸，如圖1c所示。實(shí)驗(yàn)中用顯微鏡讀數(shù)法測(cè)量裂紋的長(zhǎng)度。

圖1   光滑疲勞試樣、缺口疲勞試樣和單邊缺口疲勞試樣的尺寸示意圖

 

在大氣及室溫條件下，用島津EHF-20KN實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行應(yīng)力控制的拉-拉疲勞實(shí)驗(yàn)，加載頻率為50 Hz?？紤]到螺栓的服役條件，為了模擬實(shí)際的受力情況，在疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持樣品受載的平均值不變，改變交變應(yīng)力幅值。實(shí)驗(yàn)中選取8.8級(jí)螺栓抗拉強(qiáng)度的50%作為平均值應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)前的拉伸結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)所用材料的抗拉強(qiáng)度為841 MPa，因此實(shí)驗(yàn)中所選的平均應(yīng)力值σm=420 MPa。采用Instron E 3000進(jìn)行對(duì)稱(chēng)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，載荷為800 N，載荷頻率為25 Hz，應(yīng)力比為0.1。用Zeiss Supra 35掃描電鏡觀察與分析疲勞加載及對(duì)稱(chēng)三點(diǎn)彎曲后樣品的斷口。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相組織和疲勞性能

圖2為8.8級(jí)螺栓用鋼ML40Cr初始樣品的金相照片，金相組織為回火索氏體。實(shí)驗(yàn)材料的抗拉強(qiáng)度為841 MPa，選取抗拉強(qiáng)度的50%作為平均值應(yīng)力，即σm=420 MPa。光滑及缺口螺栓的疲勞加載應(yīng)力幅-疲勞壽命關(guān)系（S-N）曲線，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，光滑試樣及缺口試樣的疲勞強(qiáng)度分別為263和95 MPa。

 

圖2   ML40Cr初始樣品的金相組織

 

圖2   ML40Cr初始樣品的金相組織

 

2.2 斷口形貌

用掃描電子顯微鏡對(duì)光滑及缺口疲勞樣品的斷口進(jìn)行了觀察。圖4a、b分別為應(yīng)力幅Δσ/2=280 MPa條件下光滑樣品疲勞斷口的裂紋萌生區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM照片，圖4c、d分別給出了Δσ/2=140 MPa條件下缺口樣品疲勞斷口的疲勞裂紋萌生區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的照片。由圖4可見(jiàn)，光滑樣品的疲勞裂紋萌生于試樣表面，只有一個(gè)疲勞源并逐漸向心部擴(kuò)展；缺口樣品的疲勞裂紋萌生于缺口根部，有多個(gè)疲勞源，因?yàn)樵谌笨诟看嬖趹?yīng)力集中，更有利于疲勞裂紋的萌生；裂紋萌生后，也逐漸向心部擴(kuò)展。在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)都觀察到了疲勞條紋，呈現(xiàn)出典型的疲勞斷口特征。

圖4   光滑和缺口試樣的疲勞斷口

 

2.3 疲勞裂紋的擴(kuò)展速率

 

圖5   疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋尖端應(yīng)力集中系數(shù)之間的關(guān)系

 

3 分析和討論

由于實(shí)驗(yàn)中采用變幅加載，為了比較光滑樣品與缺口樣品的疲勞性能用有效應(yīng)力參數(shù)法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，只考慮平均應(yīng)力對(duì)疲勞曲線的影響。有效應(yīng)力的計(jì)算公式[18,19]為

σˉ=σmax(1?R)m

 

 

式中σmax為疲勞加載的最大應(yīng)力值，R=σmin/σmax為循環(huán)應(yīng)力比，m為材料常數(shù)，依據(jù)前人的研究結(jié)果[20]材料的m值可取0.5。根據(jù)式（4）可將圖3中的應(yīng)力幅轉(zhuǎn)變成有效應(yīng)力，從而得到有效應(yīng)力-疲勞壽命（σ?N）關(guān)系曲線，如圖6所示。

 

圖6   有效應(yīng)力參數(shù)-疲勞壽命關(guān)系曲線

 

 

其中Kt是理論應(yīng)力集中系數(shù)。經(jīng)過(guò)前期對(duì)實(shí)際服役條件下螺栓應(yīng)力集中系數(shù)的有限元模擬以及對(duì)實(shí)驗(yàn)所用缺口試樣尺寸的設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出受力條件與實(shí)際服役條件相吻合的缺口試樣，其Kt值為3.98。Kf為疲勞缺口系數(shù)，是光滑試樣與缺口試樣疲勞極限之比，即

Kf=σ?1/σ?1N。根據(jù)有效應(yīng)力公式轉(zhuǎn)換后計(jì)算出光滑試樣疲勞極限為599.4 MPa，缺口試樣疲勞極限為315.8 MPa。由此可計(jì)算出Kf為1.92。因此，可以確定8.8級(jí)螺栓用鋼ML40Cr的缺口敏感度為0.31。qf=0表明缺口對(duì)疲勞性能沒(méi)有影響，qf=1表明缺口會(huì)嚴(yán)重降低材料的疲勞性能。由此可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)所選材料的缺口敏感性并不嚴(yán)重。

基于對(duì)緊固件疲勞性能的研究可進(jìn)一步完善緊固件使用標(biāo)準(zhǔn)，提高緊固件使用的規(guī)范性與安全可靠性。同時(shí)，關(guān)于易于萌生疲勞損傷的螺紋根部疲勞性能的研究，可在對(duì)螺栓及聯(lián)接的設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

4 結(jié)論

（1） 在交變載荷的作用下，以材料抗拉強(qiáng)度的50%作為平均應(yīng)力加載時(shí)8.8級(jí)螺栓用鋼ML40Cr的光滑試樣的疲勞極限為263 MPa，缺口試樣的疲勞極限為95 MPa。

（2） 依據(jù)有效應(yīng)力轉(zhuǎn)換關(guān)系將光滑和缺口試樣在交變載荷下的應(yīng)力幅-疲勞壽命曲線轉(zhuǎn)換為有效應(yīng)力，得到8.8級(jí)螺栓用鋼ML40Cr的缺口敏感度為0.31。

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