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高强度螺栓强在哪里?如何提高疲劳强度?
2022年09月23日 14:45   浏览:1058   来源:

上海大学材料学院高性能钢团队经过一年多的反复试验,与其他7位合作者合作,成功研制出世界上第一个被称为世界最强紧固件的19.8级超高强度螺栓。


通过材料和热处理工艺优化,16.8级和19.8级螺栓室温抗拉强度分别满足1600~1770MPa和1900~2070MPa。


剪切测试(依据GJB 3376-1998)结果表明,16.8级和19.8级螺栓剪切力分别达到97KN和115KN;


室温拉伸疲劳强度测试(依据GJB 3376-1998及GJB715.30A-2002,载荷比=0.1)结果表明,研制的紧固件满足疲劳寿命要求(平均疲劳寿命不低于65000次,单个疲劳寿命不低于45000次);


耐延迟断裂性能试验(根据GJB 715.12-1990,大气环境下恒定拉应力保持96小时)结果表明,螺栓在测试时间内未发生断裂破坏,卸载后螺栓表面及螺纹处未发现裂纹;新研制的超高强度螺栓综合性能满足使役要求。


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16.8和19.8级紧固件实物(规格为MJ8×1×50)


超高强度紧固件可以在相同夹紧力下,通过减少自身尺寸来降低重量和增加安装空间,因此可以对被连接部件进行功能和体积优化,从而使装备达到整体减重和性能优化的目的。


那么什么是高强度螺栓呢?高强度螺栓究竟强在哪?金妹子今天带你来了解一下。


1

什么是高强度螺栓?

高强度螺栓(High-Strength Friction Grip Bolt),英文直译为:高强度摩擦预紧螺栓,英文简称:HSFG。可见,我们中文施工中所说的高强度螺栓是高强度摩擦预紧螺栓的简称。在日常沟通中,仅仅是简略了“摩擦(Friction)”“预紧(Grip)”两个词,却造成了许多工程技术人员对高强度螺栓基本定义的理解,产生了误区。


误区一:

材料等级超过8.8级的螺栓,就是“高强度螺栓”?


高强度螺栓和普通螺栓的核心区别并不在于使用材料的强度,而是受力的形式。本质是是否施加预紧力,并利用静摩擦力抗剪。


实际上在英标规范,美标规范中提到的高强度螺栓(HSFG BOLT)只有8.8级和10.9级两种(BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490),而普通螺栓却有包含有4.6,5.6,8.8,10.9,12.9等(BS 3692 11款表2);由此可见,材料强度高低并不是区别高强度螺栓与普通螺栓的关键。


2

高强度螺栓强在哪?

按照GB50017,计算单个普通螺栓(B类)8.8级和高强度螺栓8.8级抗拉及抗剪强度。


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通过计算我们可以看到,相同等级的情况下,普通螺栓的抗拉强度和抗剪强度的设计值都要高于高强度螺栓。


那么高强度螺栓,“强”在哪里?


为回答这一个问题,必须从两种螺栓的设计工作状态入手,研究其弹塑性变形的规律,并理解到设计破坏时的极限状态。


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普通螺栓和高强度螺栓工作状态下应力应变曲线


设计破坏时的极限状态


普通螺栓:螺杆本身发生超过设计允许的塑性变形,螺杆被剪坏。


普通螺栓连接,开始承受剪力前连接板间就会发生相对滑移,继而螺栓杆和连接板接触,发生弹塑性形变,承受剪力。


高强度螺栓:有效摩擦面间的静摩擦力被攻克,两块钢板发生相对位移,设计考量上即为破坏。


高强度螺栓连接,摩擦力首先承受剪力,当荷载增大到摩擦力不足以抵抗剪力,静摩擦力被攻克,连接板发生相对滑移(极限状态)。但此时虽然破坏,但螺栓杆与连接板发生接触,依然可以利用其本身的弹塑性形变,承受剪力。


误区二:

承载能力高就是高强度螺栓?


由单个螺栓的计算可知,高强度螺栓抗拉和抗剪的设计强度均低于普通螺栓。其高强实质是:正常工作时,节点不允许发生任何相对滑移,即:弹塑性变形小,节点刚度大。


可见,在给定设计节点荷载的情况下,用高强度螺栓设计的节点并不一定能节省螺栓使用数量,但是其变形小,刚度大,安全储备高。适合用主梁,等要求节点刚度较大的位置,符合“强节点,弱杆件”的基本抗震设计原理。


高强度螺栓之强,并非在于其本身的承载能力设计值,而是表现于其设计节点的刚度大,安全性能高,抗破坏的能力强。


3

高强度螺栓和普通螺栓的对比

普通螺栓和高强度螺栓由于其设计的受力原理不同,其在施工检验方法上有极大的区别。


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同等级普通螺栓各项机械性能要求均比高强度螺栓略高,但高强度螺栓较普通螺栓多一项冲击功的验收要求。


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普通螺栓和高强度螺栓的标示是对同等级螺栓现场识别的基本方法。由于英美标准中对于高强度螺栓扭矩值计算的取值并不相同,所以识别两种标准的螺栓也有必要。


普通螺栓大约为高强度螺栓价格的70%,结合其验收要求的对比,可以得出,其溢价部分就应该是为了保证材料的冲击功(韧性)性能。



4

如何提高螺栓疲劳强度



无论承受什么复杂的载荷,高强度螺栓的常见失效形式就是疲劳失效。早在1980年有专家研究了200例螺栓连接的失效,其中50%以上是疲劳破坏。提高高强度螺栓的抗疲劳性能至关重要。

螺栓疲劳断裂具有以下特征:

1. 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低,甚至比屈服极限低。

2. 疲劳断口均为无明显塑性形变的脆断性突然断裂。

3. 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。

对于螺栓,其失效形式主要是螺纹部分的塑性形变和螺杆的疲劳断裂,其中:

  • 65%的破坏发生在与螺母联接的第一个螺牙;


  • 20%的破坏发生在螺纹与光杆的转变处;


  • 15%的破坏发生在螺栓头与螺杆过渡圆角处。


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01

优化设计减小应力集中

 
严格控制螺栓的收尾尺寸消除应力集中:
a. 采用较大的过渡圆角
b. 切制卸荷槽
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c. 螺纹收尾处切制退刀槽 
d. 优化螺栓的头下倾角也可以有效减少应力集中

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e. 采用加强型的螺纹
 加强型螺纹与普通螺纹的主要区别在外螺纹的小径d1和牙根过渡圆角R。
 加强型螺纹的主要特点是小径d1较普通螺纹大些,牙根过渡圆角半径增R大,减小螺栓的应力集中,且对R有具体要求:R+=0.18042P,Rmin=0.15011P,其中P为螺距,而普通螺纹无此要求,甚至可以为平直段。


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02

改善制造工艺

 
加强控制螺栓的制造过程中热处理和表面处理工艺可以有效提高螺栓的疲劳。
a. 热处理
螺栓先热处理后滚丝成型,这样在螺栓的内部产生较大的残余压应力,从而减缓裂纹的形成及发展,因而提高螺栓的疲劳强度。
其中热处理时还应防止脱碳现象的发生,对比无表面脱碳和有表面脱碳情况下螺栓的疲劳强度。
脱碳层由于碳被氧化,金相组织其渗碳体的数量较正常组织少,因此在力学性能上其强度或硬度较正常组织低。
通常存在表面脱碳情况下螺栓的疲劳强度下降19.8%。
b. 磷化
螺栓表面磷化处理是为了防锈及稳定装配时的摩擦。
但是磷化处理同时也可起到减磨作用。
在滚丝过程中降低滚丝轮螺纹和螺丝螺纹之间的摩擦力,这对滚丝后螺栓螺纹上的应力分布及降低螺纹表面粗糙度都将产生积极作用。
 

03

设置适当的预紧力

 
普通螺栓联接的螺杆拉力主要被最前面的三牙受力螺纹承受。
当初始预紧力足够大时,会使部分螺纹根部局部进入塑性变形,同时在这些螺纹根部产生残余应力。
螺纹根部产生的残余压应力,能提高螺纹的疲劳强度。
同时.塑性变形后的螺纹还能改善螺纹受力分布,使螺纹牙上的接触压力变小。
由此也提高了螺纹的疲劳强度。
预紧力越大,螺栓联接抵抗联接分离的能力越大,抵抗预紧力松弛的能力越强。
同时螺栓联接的实际有效疲劳强度也越大。
因此,增大螺栓联接的预紧力, 利于提高螺栓联接抵抗循环外载作用下疲劳失效的能力,使螺栓联接在振动冲击力与有限超载作用下产生疲劳失效的风险变得更小。



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