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；

Research on Brittle Fracture of High Strength Bolt and Analysis by Example

Abstract:The article briefly reviewed the development course of high strength bolt, introduced the current status and trends of high strength bolt, and summarized the theory of brittle fracture and influenced factors and the fracture Analysis of strength bolt. Keywords: high strength bolt；brittle fracture;

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Rajasekhaaran S．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Stark J WB和Bijlaard FSK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Giro Faena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Yang Jun和DewoIf John．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

当钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时，将会严

重降低其塑性和韧性，脆性则相应增大。

钢中碳元素含量增高会使钢的脆性转变温度升高。随着含碳

量的增加，钢的最大恰贝冲击值显著降低。恰贝冲击值与试验温

度曲线梯度趋于缓慢，而脆性转变温度显著升高，钢中磷含量的

增加使晶界断裂应力降低，脆性转变温度升高，钢中含0．1％以上的磷就会引起晶界断裂应力降低。磷对钢脆性转变温度影响随磷含量增加，钢脆性转变温度升高，硫与磷的存在对钢的断裂韧性起有害作用。随硫、磷的含量的增加，钢的K1C值下降。硫、磷含量增加使该钢K1C降低，硫危害性更大。

钢中锰元素的存在对改善其脆性性能有一定帮助，随锰与碳之比值提高，碳、磷有害作用下降，钢的脆性转变温度显著降低。

硫、磷降低钢的断裂韧性的原因，主要有两点：①偏聚于原始奥氏体晶界，促使品界脆化；②硫化学反应生成MnS在基体中形成脆性微裂纹起源核心，使微裂纹成核源增加，导致脆断容易发生。

减少钢中硫、磷含量是改善钢断裂韧性的重要途径，特别是超高强度钢。选用适宜的冶炼方法是提高钢的纯度最直接、最易实现的途径，与普通电炉炼钢法相比，采用真空冶炼能提高钢的纯度，超高强度钢一般用真空自耗炉(或真空电弧炉)重熔，以减少钢中杂质和偏析，以提高钢断裂韧性。各先进工业国都对硫、磷含量作了较低规定，一般都限于0．06％以下，但我国各大钢厂所产钢材偏析依然较重。质量不稳定，影响偏析的因素中(铁矿石元素、炼钢方法、钢锭大小、冶炼技术等)，主因是炼钢方法和冶炼技术，偏析大将会引起热脆、冷脆、裂缝、疲劳等一系列问题。

2 应力集中

当钢材在某一局部出现应力集中，则出现了同号的二维或三维应力场

使材料不易进入塑性状态，从而导致脆性破坏。应力集中越严重，钢材的塑性降低愈多，同时脆性断裂的危险性也愈大。钢结构或构件的应力集中主要与构造细节有关：

3使用环境

当螺栓受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时，螺栓脆性破坏的可能性增大。

在0℃以上，当温度升高时，钢材的强度及弹性模量均有变化，一般是强度降低，塑性增大。温度在200℃以内时，钢材的性能没有多大变化。但在250℃左右钢材的抗拉强度反弹，fy有较大提高，而塑性和冲击韧性下降出现所谓的“蓝脆现象”，此时进行热加工钢材易发生裂纹。当温度达600~C，及E均接近于零，钢结构几乎完全丧失承载力。

当温度在0℃以下，随温度降低，钢材强度略有提高，而塑性韧性降低，脆性增大。尤其当温度下降到某一温度区间时，钢材的冲击韧性值急剧下降，出现低温脆断。通常又把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆现象”，产生的裂纹称为“冷裂纹”。

4 加载速率的影响

大量实验表明，高的加载速率会使材料出现脆断的危险增加，一般认为其影响与降低温度相当。随着变形速率的增大，材料的屈服强度将会增加，其原因是材料来不及进行塑性变形和滑移，因而位错摆脱束缚进行滑移所需的热激活时间减少，使脆性转变温度提高，所以易于产生脆断。当试件上有缺口时，应变速率的影响更为显著。脆性裂纹一经产生，裂纹尖端就会有很严重的应力集中，这一急骤增加的应力，相当于一个加载速率很高的荷载，使裂纹迅速失稳扩展，最后使整个结构发生脆性破坏。

综上，材质缺陷，应力集中，使用环境及加载速率是影响脆性断裂的主要因素，其中应力集中的影响尤为重要。在此值得一提的是，应力集中