Ti6Al4V螺栓应力集中与疲劳失效关系

夏侯

   中国航空工业标准件制造有限责任公司 贵州省贵阳市  550014

摘要：钛合金因其独特的优异性能，已成为航空航天、汽车、船舶和海洋工程等领域重要的结构材料。然而，由于钛合金中含有少量的碳、氮、铁等杂质元素，在加工制造过程中不可避免地产生各种缺陷，尤其是螺栓连接部位最容易产生应力集中，这是导致钛合金螺栓疲劳失效的主要原因之一。 螺栓连接的受力情况十分复杂，应力集中对螺栓疲劳强度影响很大。国内外学者已对不同材料的螺栓进行了大量的疲劳试验研究，但针对钛合金螺栓的研究较少。

关键词：螺栓；应力集中；疲劳失效

目前，航空航天领域中的钛合金螺栓多采用Ti6Al4V（TC4）、TC6等钛合金材料制造，其具有低密度、高比强度、耐腐蚀、热稳定性好等优点，是目前国际上最常用的航空结构材料。由于钛合金材料本身存在一些缺陷，如位错密度低、硬度低、抗拉强度低等，在加工制造过程中不可避免地产生各种缺陷，其中螺栓连接部位最容易产生应力集中。在螺栓的使用过程中，由于受到各种外部载荷的作用，导致应力集中部位会出现疲劳裂纹。当应力集中达到一定程度时，疲劳裂纹就会沿着裂纹不断扩展直至断裂。因此，如何提高螺栓的疲劳强度是航空航天领域研究的重要问题。

一、Ti6Al4V材料螺栓应力集中与疲劳失效试验

采用美国 MTS公司生产的MTS 65/G电子万能试验机以及疲劳试验机对Ti6Al4V钛合金螺栓进行拉伸试验和疲劳试验机。在疲劳试验前，采用低应力集中区域对螺栓进行预处理，然后将螺栓置于预加载装置中，对螺栓进行疲劳试验。采用TESCAN VEGA3扫描电镜和SEM-EDS能谱分析仪分别对螺栓表面及断口进行微观分析。裂纹源产生于螺栓与构件的过渡区域，即应力集中最严重的位置，通过低应力集中区域的螺栓在加载前进行预处理后，再对其进行疲劳试验。根据螺栓疲劳破坏模式可将试样分为3类：无应力集中区域的螺栓在加载前不产生裂纹；有应力集中区域的螺栓在加载前产生裂纹；存在应力集中区域的螺栓在加载前产生裂纹。经过预处理后，1号、3号和5号试样的断口均为典型的疲劳断口，其中2号试样为非对称疲劳断口。疲劳试验过程中，当试件断裂时，采用电阻应变片测量其断口电阻信号，根据电阻应变片所测得的电阻信号来判断试件断裂时的应力集中程度。

二、疲劳断口分析

为研究应力集中对螺栓疲劳寿命的影响，对TC4材料螺栓进行了断口观察与分析，其断裂位置均发生在螺栓端部，通过对螺栓断裂位置进行金相分析，发现螺栓端部存在明显的表面裂纹，其内部则存在较多的孔洞，且孔洞尺寸较大。在疲劳试验过程中，当螺栓断裂后，会出现断口疲劳特征，断口上呈凹形，表面呈韧窝，主要呈现韧性断裂特征。螺栓的断口区域主要包括：（1）试样表面；（2）断口韧窝；（3）孔洞。裂纹是从原始缺陷处萌生并沿晶扩展，最终在试样表面形成裂纹。断口上的韧窝是在材料断裂时产生的塑性变形、摩擦以及塑性应变所致。由断口特征可以看出，螺栓断裂区域的宏观形貌与表面形貌基本一致。断口上呈现出塑性变形的痕迹，且断口附近存在大量裂纹萌生、扩展后留下的白色金属粉末。裂纹尖端处存在塑性变形痕迹，且有大量白色金属粉末脱落，这说明螺栓断裂是由于材料内部存在较多缺陷所致，而非表面裂纹。根据金相分析结果，螺栓断裂位置的金相组织为晶粒细小、大小均匀的初生α等轴晶，且沿晶断裂，断口上还存在大量裂纹萌生与扩展后留下的白色金属粉末，说明螺栓在拉伸过程中应力集中现象明显，这是导致螺栓断裂的主要原因。

三、应力集中与疲劳寿命的关系

应力集中对钛合金螺栓疲劳性能的影响十分显著。对于钛合金螺栓，应力集中主要体现在螺纹根部区域，应力集中系数和临界裂纹尺寸随着螺栓直径的增大而增大，这是因为在螺栓拧紧后，螺纹根部产生了应力集中，随着螺纹的继续转动，应力集中进一步加剧。对于强度较高的钛合金螺栓，当其达到疲劳极限时，疲劳裂纹一般都是由应力集中处产生的。所以在实际生产过程中要尽量避免应力集中区域。

对于强度较低的钛合金螺栓，疲劳破坏机理比较复杂。对于强度较低的钛合金螺栓，当其达到疲劳极限时，其应力集中系数和临界裂纹尺寸随着螺纹直径的增大而减小；对于强度较高的钛合金螺栓，其疲劳破坏机理比较复杂。当螺栓在较大应力范围内工作时，其裂纹扩展很快。裂纹一旦扩展到一定程度就会发生突然断裂失效。因此在设计钛合金螺栓时要充分考虑到应力集中对其疲劳强度的影响。

钛合金螺栓在实际生产过程中会产生一定的应力集中，尤其是在螺纹根部区域，通过有限元分析可知螺栓根部区域存在较高的应力集中系数。对于强度较低的钛合金螺栓，应当采取相应措施来降低螺纹根部区域的应力集中系数。

四、螺栓应力集中产生原因及影响因素

螺栓应力集中是指连接件在应力作用下产生的局部应力集中，表现为沿螺栓轴线方向的局部突出或局部凸起。应力集中是导致螺栓疲劳失效的主要原因之一，若不能及时采取措施，将会导致连接件过早失效。螺栓应力集中产生的主要原因是：（1）螺纹副间咬合部位产生接触应力，导致接触应力集中；在实际连接中，如果被连接件材料为Ti6Al4V，螺栓材料为Ti6Al4V+T6 （Ti-11Al）或T6 （Ti-12Al），而不是T6 （Ti-10Al），则在拧紧螺栓时，会导致螺纹副间产生接触应力，导致接触应力集中。（2）螺纹副之间存在相对运动，如拧紧-放松、螺纹副之间有间隙等，产生摩擦和碰撞应力，导致接触应力集中；如果螺栓头部圆角过小，导致螺纹根部的摩擦和碰撞应力增大，导致接触应力集中；此外，如果螺栓头部圆角过小，螺纹根部产生较大的摩擦力，使得螺纹根部产生较大的变形力，从而引起接触应力集中。（3）螺栓头部的圆角过小，导致螺纹根部产生较大的摩擦力，局部摩擦和变形力，也可能引起接触应力集中。（4）螺纹副之间存在间隙，当螺栓拧紧时，由于螺纹副的接触应力、变形和摩擦等作用，使得螺栓根部产生较大的变形力，从而导致螺栓根部产生较大的摩擦力，并产生一定的挤压力，也会导致应力集中。螺栓应力集中的影响因素很多，主要有螺纹副形状、配合精度、螺距大小、螺母结构和垫圈性能等。螺纹副形状对应力集中也有影响，最主要的是螺纹副间隙大小的影响。此外，螺纹副之间的配合精度和螺距大小也会对螺栓疲劳性能产生影响。总之，由于钛合金材料本身的物理特性导致其在加工制造过程中不可避免地产生各种缺陷；另外在螺栓连接中由于高强度螺栓和螺母结构设计不合理或者垫圈性能不佳也会导致应力集中。

五、结语

本文对Ti6Al4V钛合金螺栓在不同应力水平下进行了疲劳试验研究，探讨了螺栓连接处存在应力集中现象对螺栓疲劳寿命的影响，分析了应力集中对螺栓疲劳失效的影响机制。（1）钛合金螺栓连接处存在应力集中现象，应力集中程度越大，螺栓疲劳断裂寿命越低。（2）螺栓连接处存在应力集中现象时，疲劳断口存在大量的拉伸塑性变形带，且随着应力集中程度的增加，断裂时拉伸塑性变形带的宽度逐渐减小。（3）在螺栓疲劳寿命的估算中，考虑到裂纹尖端张开位移和裂纹扩展速率对疲劳寿命的影响较大，建议在预测疲劳寿命时考虑裂纹尖端张开位移和裂纹扩展速率这两个因素。（4）考虑到螺栓应力集中和裂纹扩展速率对螺栓疲劳失效的影响较大，建议在预测螺栓疲劳寿命时考虑这两个因素。（5）本研究得到的钛合金螺栓应力集中系数C与文献中得到的数据结果是一致的，可以作为钛合金螺栓应力集中系数C预测值。

参考文献：

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[3]乔乔,李晓秀,周江伟等.螺栓连接预紧力对结构疲劳性能的影响[J].失效分析与预防,2021.