拉剪复合载荷下316螺栓蠕变-疲劳性能

拉剪复合载荷下316螺栓蠕变-疲劳性能

夏家乐,杨加美,张啸海,刘波,汪科,程凯旋,夏家乐*

1.湖北省绿色化工装备工程技术研究中心，武汉工程大学机电工程学院，武汉，湖北，430205

摘  要：设计了45°拉剪复合加载夹具，对316螺栓进行了500℃下的拉剪复合蠕变-疲劳性能实验。结果表明，316螺栓的最大断裂变形随保持时间延长而增加，但其寿命随保载时间延长而降低；当保载时间为1min、5min和30min时，蠕变稳态阶段后滞弹性回复率分别约为100%、88%和73%；不同保持时间下试样均从螺纹根部边缘处起裂，在螺纹边缘区可见贝壳状疲劳辉纹；随着保载时间延长，韧窝变深，蠕变空洞增加，且呈明显的剪切韧窝形貌。

关键词：316螺栓；拉-剪；蠕变-疲劳

Creep-Fatigue Behavior of 316 Bolt under Combined Tension-Shearloading

 Xia Jiale, Yang Jiamei, Zhang Xiaohai, Liu Bo, Cheng Kaixuan, Wang Ke; Xia Jiale*

1.Hubei Provincial Engineering Technology Research Center of Green Chemical Equipment, School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei, 430205

Abstract：A combined 45° tension-shear loading fixture was designed, and creep-fatigue performances of 316 bolts were tested at 500 ℃ under combined tension-shear loads. Results showed that the maximum fracture deformation of 316 bolt increases with the increase of holding time, but its life decreases correspondingly. Moreover, when the holding time is 1min, 5min and 30min, the recovery rate of anelasticity is about 100%, 88% and 73% respectively at the steady-state stage. Under different holding time, cracks are initiated from the edge of the root of thread for each bolt specimen, and the shell-like fatigue striation can be observed at the edge of thread. With the increase of holding time, dimples become deeper and creep cavities increase, and the dimples are obviously shear dimples.

Keywords：316 bolt; tension-shear; creep-fatigue

作者简介：夏家乐，男，（1997.8-），研究生，从事高温结构完整性的研究。

通讯作者：夏家乐，男，（1997.8-），研究生，从事高温结构完整性的研究。

武汉工程大学研究生教育创新基金项目，基金号（CX2021070）

作者简介：夏家乐，男，（1997.8-），研究生，从事高温结构完整性的研究。

通讯作者：夏家乐，男，（1997.8-），研究生，从事高温结构完整性的研究。

武汉工程大学研究生教育创新基金项目，基金号（CX2021070）

1.引 言

高温螺栓经常承受拉力和剪切力的共同作用，上世纪70年代以来，很多学者对此展开了研究。1977年Arcan提出了较为合理的拉伸剪切组合力学试验方法[[1]]。近年来，Choupani[[2]]，Hasanpour[[3]]，Gao[[4]]等分别提出了拉剪复合测试方法。Langrand等人进一步进行了拉剪组合载荷测试，获得了混合模式载荷下铆接接头的宏观破坏准则。其认为当组合加载角度小于30°时铆钉柄对沉头主要产出冲压，而当角度超过45°时铆钉柄对沉头主要形成剪切[[5]]。最近，Li等[[6]]研究了两种类型的岩石螺栓（完全封装的钢筋和D型螺栓）在组合拉力和剪力荷载下的性能。认为螺栓的位移能力取决于位移角度。高学敏

[[7]]等人开展了钛合金螺栓拉伸-剪切耦合受力状态下的力学试验，研究结果表明，钛合金螺栓在拉应力和切应力耦合作用下的力学性能指标较纯拉性能明显下降。黄勇祥[[8]]通过ANSYS分析了螺栓在拉剪载荷作用下的破坏机理，而且预拉力会随温度的升高而降低，在剪切载荷作用下产生的滑移也会随预拉力的降低而减小。林文玉[[9]]使用ABAQUS对螺栓进行非线性分析，得到螺栓在拉剪载荷下的承载力与温度变化公式，当温度大于400℃时，螺栓所能承受的拉剪极限载荷值在逐渐下降。肖骏[[10]]利用ABAQUS模拟螺栓在不同拉剪组合下的受力状态，并对拉剪载荷进行回归，得到螺栓温度折减系数的回归公式。在高温条件下，Anne Kawohl研究了螺栓分别在700℃、800℃、900℃高温下的拉剪复合载荷对螺栓失效的影响。试验结果表明，在组合拉伸和剪切力的情况下，螺栓也可采用减缩系数，但拉伸剪切比会影响承重能力[[11]]。但是，目前仍缺少高温螺栓在拉剪复合条件下的蠕变-疲劳研究，本文在该方面展开试验测试。

2.实验条件

2.1实验设计

为了在实验测试中控制加载方向和失效位置，设计了45°拉剪复合载荷专用夹具，可与RPL蠕变-疲劳试验机相配合进行实验，夹具如图1所示，夹具材料选用35CrMo合金。试样采用M10的316不锈钢螺栓，其尺寸规格和合金成分分别如表1所示。

表1 316螺栓规格（mm）

图1 316螺栓的拉剪复合加载夹具

2.2 316螺栓蠕变-疲劳实验条件

先通过拉伸试验确定出螺栓在不同夹具下的最大静载荷，然后以拉伸极限载荷的90%作为蠕变-疲劳实验的峰值载荷，实验温度设定为500℃。在高温500℃下进行螺栓杆的蠕变-疲劳实验，采用应力控制，加载路径为梯形波，并在设定的载荷峰值处进行保载，保载时间分别设为0min、1min、5min、30min。试验过程中，先施加50N预紧载荷，再以50kN/min将载荷加载到目标值后进行峰值保载，然后以相同速率卸载。为使螺栓始终处于拉紧状态，循环中的最小载荷设为0.5kN。根据拉伸实验所得的0.9倍极限拉伸载荷，对试件施加0.5-20kN的循环拉力。处理实验数据时，根据载荷-位移曲线提取位移-循环次数曲线，并取每次循环的位移最大值。

3拉剪蠕变-疲劳实验结果分析

3.1蠕变-疲劳载荷下316螺栓的变形响应

45°加载路径下试件的实验与寿命如表2所示。结果表明，在45°加载路径下，螺栓承受拉剪复合载荷，蠕变-疲劳寿命随着保载时间的增加而减少。不同蠕变-疲劳保载时间下的载荷-位移曲线如图2所示。在保载0min的条件下，前1000个循环的位移变形量约为1.75mm，而在第1500个循环到2000个循环，其位移增量约为0.204mm。值得注意的是，当保载时间不超过5min时，螺栓断裂时的最大位移随保持时间的增大而略有增加，例如保载时间为0min、1min、5min时，螺栓断裂时的最大位移分别为2.18mm、2.54mm和2.78mm。但是，当保载时间为30min时，螺栓断裂时的最大位移为2.37mm。

表245°加载路径下试件的实验与寿命

图2不同保载时间下的载荷-位移图

图3显示了45°加载路径下每个循环的最大位移随循环数变化的曲线。由图可知，保载时间为0min、1min、5min、30min时，各初始位移分别为1.66mm、1.71mm、1.73mm、1.8mm。各循环最大位移随循环数变化关系类似于蠕变-时间曲线的三个阶段，即变形速率降低阶段、稳定变形速率阶段和变形速率加速直至断裂。初始的100大致为各加载条件下的第一阶段，第三阶段的起始循环数随保载的延长而显著降低，如图4所示。

图3不同保载时间下的位移-循环数曲线

图4不同保载时间下的位移速率对比

3.2蠕变-疲劳载荷下316螺栓的滞弹性行为

实验发现，在载荷保载阶段，螺栓试件产生蠕变变形，而在卸载过程中出现了蠕变回复效应，其变化规律如图5所示。其中，1-2为试件加载阶段(弹塑性变形)，2-3为峰值保载阶段(蠕变变形)，3-4为卸载阶段(粘塑性应变和弹塑性变形)。图5中分别显示了卸载阶段各应变分量的取值范围，且这些应变分量在卸载过程中同时发生的。另外，滞弹性蠕变回复导致卸载阶段的有效弹性模量Eeff明显小于初始弹性模量E，且再次加载至峰值时应变值较卸载时小，这说明滞弹性回复显著降低了材料的变形速率，一定程度上延长了材料的使用寿命。需要指出加、卸载阶段的蠕变应变及粘塑性应变较小，本文分析中不予考虑，于是：

     (1)

  (2)

     (3)

     (4)

其中，

和分别表示蠕变应变和滞弹性回复应变；(=1, 2, 3, 4, 5)表示加载路径上的应变值；和分别表示卸载和再次加载阶段的塑性应变；为杨氏模量；和分别为施加的最大和最小应力。由方程(1)~(4)，卸载阶段的滞弹性回复应变为

    (5)                             

图5第一个循环内应力应变曲线

基于实验数据，采用方程(5)可计算不同的保载时间下螺栓滞弹性回复量。

不同保载时间下滞弹性回复量与循环数的关系如图6所示。当保载时间为1min时，滞弹性回复量约为0.008mm；当保载时间为5min时，滞弹性回复量约为0.0098mm；当保载时间为30min，滞弹性回复量约为0.012mm。图7、8显示了滞弹性回复率随载荷循环数的变化关系。当保载时间为1min时，蠕变稳态阶段后滞弹性回复率接近100%，即峰值保载阶段产生的蠕变在卸载阶段完全回复；当保载时间为5min时，此时的滞弹性回复率为88%；当保载时间为30min时，此时的滞弹性回复率为73%。由图7可见，在拉剪复合载荷作用下，保载时间小于或等于5min时，其回复率大约在600-800个循环处达到稳定；而保载时间为30min时，回复率在1000个循环左右达到稳定。

图6滞弹性回复量随循环数变化关系图

图7滞弹性回复率随循环数变化关系图

图8不同保载时间下寿命的滞弹性蠕变行为

4螺栓拉剪蠕变-疲劳断口分析

将断裂试件送往分析检测中心，通过扫描电子显微镜（SEM）观察其断口形貌。从宏观上看，四种保载时间下316螺栓断面处均呈现出断口平滑，颜色较深，在螺纹边缘区可见贝壳状疲劳辉纹。图9为100倍下断口形貌对比图，图a、b、c、d分别是保载时间t=0min、1min、5min、30min下的断面图。由图可知，四种保持时间下均从螺纹根部边缘处起裂。此外，图a中裂纹扩展间距最小，图d中裂纹扩展间距最大。在保载时间为0min、1min时，疲劳条纹相对平整，而保载时间为5min、30min时，疲劳条纹附近出现越来越多撕裂状的韧窝，说明延长保载时间加剧了蠕变损伤。

 (a)t=0min        (b)t=1min

(c)t=5min      (d)t=30min

图9起裂区的局部断面图

图10显示了韧性断裂区的微观形貌。随着保载时间延长，韧窝由浅变深，形成的蠕变空洞也越多，且断口表面呈明显的剪切变形形貌，这说明剪切载荷作用显著。

(a)t=0min       (b)t=1min

(c)t=5min       (d)t=30min

图10延性断裂局部放大图

4. 结论

(1)拉剪复合蠕变-疲劳载荷作用下，316螺栓的最大断裂变形随保持时间的延长而增加，但其寿命随保载时间延长而降低。

(2)卸载过程中出现了蠕变回复效应，当保载时间为1min、5min和30min时，蠕变稳态阶段后滞弹性回复率分别约为100%、88%和73%。

(3)不同保持时间下试样均从螺纹根部边缘处起裂，在螺纹边缘区可见贝壳状疲劳辉纹；随着保载时间延长，韧窝由浅变深，蠕变空洞增加，且呈明显的剪切韧窝形貌。

参考文献

[[1]] Arcan M , Hashin Z , Voloshin A . A method to produce uniform plane-stress states with applications to fiber-reinforced materials[J]. Experimental Mechanics, 1978, 18(4):141-146.

[[2]] Choupani N . Experimental and numerical investigation of the mixed-mode delamination in Arcan laminated specimens[J]. Materials Science & Engineering: A (Structural Materials: Properties, Microstructure and Processing), 2008, 478(1-2):229-242.

[[3]] Hasanpour R , Choupani N . Rock fracture characterization using the modified Arcan test specimen[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2009, 46(2):346-354.

[[4]] Gao L, Ni F, Braham A, et al. Mixed-Mode cracking behavior of cold recycled mixes with emulsion using Arcan configuration[J]. Construction and Building Materials, 2014, 55:415-422.

[5] Langrand B, Deletombe E. Riveted joint modeling for numerical analysis of airframe crashworthiness[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2001, 38(1): 21-44.

[6] Charlie C. Li. Performance of D-bolts Under Static Loading[J]. Rock Mechanics & Rock Engineering, 45(2):183-192.

[7] 高学敏, 闫路, 何娅梅,等. 基于拉剪复合载荷下钛合金螺栓力学性能的试验研究[J]. 航空制造技术, 2021, 64(12):5.

[8] 黄勇祥. 高温下钢结构高强度螺栓连接极限承载力的研究[D]. 武汉理工大学, 2004.

[9] 林文玉. 高强度螺栓连接高温力学性能有限元分析[D]. 武汉理工大学，2006.

[10] 肖骏. 高温下摩擦型高强螺栓在拉剪组合作用下的受力性能研究[D]. 西南石油大学, 2017.

[11] Kawohl A , Lange J . Experimental study of post-fire performance of high-strength bolts under combined tension and shear[J]. Journal of Structural Fire Engineering, 2016, 7(1):58-68.