高強(qiáng)螺栓脆性斷裂研究及實(shí)例分析摘要:本文簡(jiǎn)要回顧了高強(qiáng)螺栓的發(fā)展歷程，介紹了當(dāng)前高強(qiáng)螺栓研究的現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)，總結(jié)了鋼材脆性斷裂理論、脆性斷裂的影響因素及高強(qiáng)螺栓的斷裂分析。關(guān)鍵詞：高強(qiáng)螺栓；脆性斷裂；ResearchonBrittleFractureofHighStrengthBoltandAnalysisbyExampleAbstract:Thearticlebrieflyreviewedthedevelopmentcourseofhighstrengthbolt,introducedthecurrentstatusandtrendsofhighstrengthbolt,andsummarizedthetheoryofbrittlefractureandinfluencedfactorsandthefractureAnalysisofstrengthbolt.Keywords:highstrengthbolt；brittlefracture;0引言我國從1957年起開始研究高強(qiáng)度螺栓及其連接，并首先運(yùn)用于橋梁。這為我國鋼結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)螺栓連接奠定了基礎(chǔ)。在以后修建成昆鐵路時(shí)推廣了此項(xiàng)新技術(shù)，使高強(qiáng)螺栓連接技術(shù)得到了提高和發(fā)展。在材料使用方面，我國高強(qiáng)度螺栓制作從開始時(shí)使用45號(hào)鋼和40硼鋼材料逐步轉(zhuǎn)變到使用具有更好力學(xué)性能和工藝性能的20MnTiB鋼。高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)用范圍也逐漸廣泛，從原來的橋梁結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到各種鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)備，甚至宇宙飛船、海洋鉆井平臺(tái)的使用。大量各種連接形式的靜力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，為高強(qiáng)度螺栓連接合理設(shè)計(jì)提供了可靠的參數(shù)。1高強(qiáng)螺栓的研究現(xiàn)狀1.1國外現(xiàn)狀：美國伊利偌斯大學(xué)的RajasekhaaranS．Hair等對(duì)單螺栓連接和T字型雙螺栓連接進(jìn)行了試驗(yàn)和理論分析，得出了高強(qiáng)度螺栓的撬力作用會(huì)大大降低T字型雙螺栓連接的極限承載力和疲勞強(qiáng)度的結(jié)論。荷蘭的StarkJWB和BijlaardFSK對(duì)由高強(qiáng)度螺栓構(gòu)成的鋼框架節(jié)點(diǎn)的彎矩一曲率關(guān)系進(jìn)行了研究。意大利學(xué)者GiroFaena等對(duì)T字型螺栓連接進(jìn)行了試驗(yàn)分析。并總結(jié)了影響高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的主要因素。另外，美國的YangJun和DewoIfJohn．T則對(duì)高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力的松弛現(xiàn)象進(jìn)行了探索。1.2國內(nèi)現(xiàn)狀：螺栓端板連接的節(jié)點(diǎn)性能研究；高強(qiáng)度螺栓抗滑移系數(shù)、屈服強(qiáng)度和極限承載力的試驗(yàn)研究；高溫下高強(qiáng)度螺栓受力性能的實(shí)驗(yàn)和理論研究；高強(qiáng)度螺栓疲勞斷裂分析及壽命估算；對(duì)高強(qiáng)度螺栓以ANSYS有限元軟件為研究手段，進(jìn)行各種受力模擬、分析；對(duì)高強(qiáng)螺栓螺紋形式、螺紋根部應(yīng)力集中、螺紋牙根圓角半徑的研究；對(duì)高強(qiáng)螺栓鋼以高設(shè)計(jì)應(yīng)力、輕量化為目標(biāo)的研究，完善制造工藝、新型功能螺栓、超高強(qiáng)度螺栓鋼的研究。2脆性斷裂理論及影響因素2.1脆性斷裂理論螺栓的破壞通?？煞譃樗苄院痛嘈詢煞N形式。其中脆性破壞是結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)中最危險(xiǎn)的破壞形式之一。這主要是它的發(fā)生往往是很突然、沒有明顯的塑性變形，而且構(gòu)件破壞時(shí)的承載能力很低。脆性斷裂是指鋼材或鋼結(jié)構(gòu)在低名義應(yīng)力(低于鋼材屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度)情況下發(fā)生的突然斷裂破壞。典型的脆性斷裂可以表現(xiàn)為沿一定結(jié)晶平面的劈裂(解理斷裂)和沿晶界的斷裂。在承受載荷的金屬材料中，當(dāng)某一部位形成了裂紋核之后，它們會(huì)進(jìn)一步聚集長(zhǎng)大，當(dāng)裂紋達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，將會(huì)發(fā)生解理斷裂。在一般情況下，首先在承受載荷材料的缺口根部出現(xiàn)應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，形成塑性區(qū)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力f時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生解理裂紋的擴(kuò)展，在擴(kuò)展過程中將前方裂紋核連成一片，最后導(dǎo)致解理斷裂。螺栓的脆性斷裂通常具有以下特征：①破壞時(shí)的應(yīng)力常小于鋼材的屈服強(qiáng)度fy，有時(shí)僅為fy的0.2倍。②破壞之前沒有顯著變形，吸收能量很小，破壞突然發(fā)生，無事故先兆。③斷口平齊光亮2.2脆性斷裂的原因1材質(zhì)缺陷一般不影響鋼結(jié)構(gòu)的靜力極限承載力，在設(shè)計(jì)時(shí)通常不考慮其影響。但在動(dòng)載作用下，嚴(yán)重的應(yīng)力集中加上材質(zhì)缺陷，殘余應(yīng)力，冷卻硬化，低溫環(huán)境等往往是導(dǎo)致脆性斷裂的根本原因。3螺栓的失效形式(1)螺桿的螺紋脫扣；(2)螺母的螺紋脫扣；(3)螺桿和螺母的螺紋均脫扣；(4)螺栓和螺母由于松動(dòng)而喪失工作能力；(5)螺桿的斷裂。4高強(qiáng)螺栓脆性斷裂的分析引起螺栓脆性斷裂的原因也包含于上述脆性斷裂原因之中，主要有化學(xué)成分、金相組織、機(jī)械性能、應(yīng)力集中方面。高強(qiáng)度螺栓克服了普通螺栓承載力低的缺點(diǎn)，其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度比同尺寸的鉚接還要高。但是，在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，盡管在選用高強(qiáng)度螺栓時(shí)已進(jìn)行過理論計(jì)算，并考慮了強(qiáng)度儲(chǔ)備，但在實(shí)際使用中仍會(huì)不時(shí)出現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓的斷裂現(xiàn)象，給生產(chǎn)和安全帶來隱患，甚至造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。因此，高強(qiáng)度螺栓的斷裂是一個(gè)十分典型的事例，由此造成的事故屢屢發(fā)生，經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)驚人。6結(jié)束語隨著設(shè)計(jì)理論的不斷突破和工藝手段的不斷提高，以及新材料的不斷應(yīng)用，新的解決措施會(huì)不斷地出現(xiàn)。針對(duì)目前工程項(xiàng)目中的實(shí)際情況，對(duì)常見螺栓連接強(qiáng)度采取了相應(yīng)的措施，提高了螺栓設(shè)計(jì)中連接的安全性。參考文獻(xiàn)：[1]鄭琛，朱金華．13．9級(jí)ADF1發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓的延遲斷裂分析[J]．空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，5(4)：10一l2．[2]李建平，黃文長(zhǎng)，馮繼軍．12．9級(jí)缸蓋螺栓的延遲斷裂分析[J]．汽車科技，2001，4(4)：16—18．[3]惠衛(wèi)軍，董瀚，翁宇慶，等．Mo對(duì)高強(qiáng)度鋼延遲斷裂行為的影響[J]．金屬學(xué)報(bào)，2004，12(12)：1274—1280．[4]惠衛(wèi)軍，董瀚，翁宇慶，等．高強(qiáng)度螺栓鋼的合金設(shè)計(jì)和性能[J]．鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2003，4(2)：3O一33．[5]成大先.\o"AutoLISP實(shí)例教程"機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2002.[6]濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社.2006.[7]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社.2003.[8]金蔚靜．雙頭螺栓失效分析[J]．理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2003，39(5)：268—270．[9]王永慶．30CrMnSiNi2A螺栓斷裂分析[J]．理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2000，36(10)：461—463．[10]胡曉輝．3Cr13鋼彈簧片斷裂分析[J]．理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2005，41(10)：515—517．[11]吳建國。氫氣對(duì)金屬材料之影響[J]．材料導(dǎo)報(bào)，2004，a8(8)：119—120．