高强度螺栓抗疲劳分析与提高质量检测
本次我们来探讨一下，如何提高紧固件的抗疲劳性能以及提高螺栓性能的课题。
保证载荷条件
高强螺栓的抗疲劳试验，我们首先需要考虑。载荷条件，这里指的载荷条件是当做疲劳试验时,对螺栓施加的最大和最小载荷值。目前ISO和我国规范对σb ≥1 200MPa等级以上的螺栓,都把最大载荷值规定为螺栓最小抗拉破坏载荷的46% - K值(载荷系数) 。
规范中对不同直径的螺栓规定了最小破坏载荷标准值,它既作为静拉强度的验收依据,又作为疲劳试验的载荷依据(疲劳抗拉试验最大载荷=最小抗拉载荷×载荷系数K) 。例如对合金钢凸头螺栓,K值取0. 46。见表1。
1.2 寿命指标
在上述的载荷规定下,还有统一的寿命指标。即在规范规定的抽样样品中,最小循环次数不小于4. 5 ×104 次, 凡样品中超过13 ×104 次的只按13 ×104次计平均值。
1.2 寿命指标
在上述的载荷规定下,还有统一的寿命指标。即在规范规定的抽样样品中,最小循环次数不小于4. 5 ×104 次, 凡样品中超过13 ×104 次的只按13 ×104次计平均值。
1 螺栓原材料质量
螺栓规格
螺栓制造必须符合ISO898—1: 2009《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》标准规范，紧固件所需材料碳素结构钢、合金结构钢符合DIN EN 20898—1、DIN EN 20898—2 及ISO898—1、ISO898—2 规定的钢制螺栓及螺母与螺栓连接( 件) 。CＲH380 型动车组部分螺栓规格，见表1。
化学成分对比
采用德国OBLF 公司GS1000 直读光谱仪，参照标准DIN EN 20898—1 及ISO898—1、规定，对CＲH380 型动车组部分螺栓用材料进行成分分析，结
果见表2。从其结果来看，动车组螺栓与国内螺栓用材料有较大的不同，主要采用的标准的不同，欧盟一般采用EN 10263—2005《冷镦和冷挤压钢线材、棒材和线材》第4 部分的钢种，而国内生产一般用GB /T国标和采用JIS G3507，JIS G4053 或者SAE、ASTM 、台湾中钢标准。
1． 3 非金属夹杂物
钢中的非金属夹杂物割裂了螺栓材料的连续性，剥落后就成为凹坑或裂纹，在冷镦成形时极易形成裂缝，热处理时易造成应力集中，产生淬火裂纹。在静载荷和动载荷的作用下，往往成为高强度螺栓失效的裂纹源，特别是B 类( 氧化铝类) 和D 类( 球状氧化物类) 是造成冷镦开裂和早期疲劳破坏的主要原因之一，一般紧固件的强度级别越高，夹杂物的危害性越大; 夹杂物尺寸越大、距表面距离越近，危害性越大。冷镦钢性能的好坏直接影响到高强度螺栓的性能，影响冷镦钢质量的因素主要有4 个: 一是钢中夹杂物含量、形态、分布和大小; 二是钢中的带状组织形态、分布和大小; 三是钢中的中心疏松缩孔和中心偏析; 四是冷镦钢产品性能的一致性。按照GB /T 10561—2005《钢材中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，采用A 法( 最恶劣视场评定) ，非金属夹杂物按JK 图评定，对动车组螺栓进行非金属夹杂物进行了评级，检验结果见表3。
根据夹杂物的形态，标准图谱分为A 类( 硫化物) 、B 类( 氧化铝) 、C 类( 硅酸盐) 、D 类( 球状氧化物) 和DS 类( 单颗粒球状) 五大类。国内常用的螺栓钢材标准，如GB /T 6478—2015、GB /T 3077—2015、GB /T 699—2015 等将非金属夹杂物的检验规定为协议项目，具体的合格指标也是由供需双方协商。介于此，高速动车组高强度螺栓，推荐合格指标为A 类≤1． 0 级，B、C、D 类≤1． 5 级，Ds 类≤1． 0级。从CＲH380 型动车组螺栓非金属夹杂物评级结果看，质量明显优于国内钢材，且按GB /T 34474． 1—2017《钢中带状组织的评定第1 部分: 标准评级图法》检测，在带状组织控制方面也占优。
钢中的低倍组织缺陷将导致钢材冷镦温锻时开裂，一般情况下，缺陷越严重，而热处理时其淬火裂纹的倾向性越大，必须严格检验。按照GB /T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》、GB /T1979—2001《结构钢低倍组织缺陷评级图》，对CＲH380 型动车组螺栓钢的中心疏松、一般疏松、方形偏析评级均≤0． 5 级，不存在白点、缩孔、气泡、翻皮等缺陷。
3 加工工艺
动车组上的10． 9 级高强度螺栓表面涂覆达克罗，摩擦系数为0． 12 ～ 0． 16。该螺栓要求疲劳极限静载荷达到屈服强度的约22%，应力比σ － 1，循环周次＞ 450 万次。对于螺栓疲劳极限测试，采用疲劳极限台阶图，若疲劳极限静载荷力值等于ＲP0． 2的23%，就简称该类高强度螺栓的静载荷疲劳极限为23%。试验加载频率25 Hz /min，对10． 9 级M14 × 105 高强度螺栓测得的疲劳极限均达到ＲP0． 2的20% ～ 23%，即静载荷为23． 0 ± 2 kN; M16 × 140 高强度螺栓测得的疲劳极限均达到ＲP0． 2的20% ～ 23%，即静载荷为32． 0 ± 2 kN; 循环周次可达452 ～ 488 余万次，满足设计要求。
众所周知，螺栓的破坏大部分是疲劳破坏，而螺栓又是多缺口易于应力集中的零件，疲劳裂纹的核心常常在缺口的部位; 而交变载荷下金属不均匀滑移主要集中在螺栓的表面，使疲劳裂纹常常发生在螺纹上。表面损伤( 如刀痕、记号、磨裂等) 可以作为表面缺陷来看待，这些地方产生的应力集中度高，易使疲劳强度下降。为此，螺栓表面的粗糙度、镦锻及机械加工的纹道都会影响疲劳极限。螺栓表面加工愈粗糙，疲劳强度就愈低，所以对动车组螺栓，其表面必须仔细加工，不允许有任何瑕疵、碰伤及缺陷，否则会使疲劳强度大大降低。据统计，不同表面状态下的疲劳强度相差可达到7 ～ 8 倍之多。表面粗糙，不仅使疲劳强度σ － 1下降，而且使疲劳曲线向左移，即缩短过载荷下的疲劳寿命。
对比综合分析，高速动车组高强度螺栓加工工艺为: 球化退火→下料→冷镦→车加工→热处理→磨外园→滚搓牙→表色。经过检测，螺纹配合精度等级为4h4H，大径及小径尺寸实际公差值都控制在± 0． 005 mm，螺栓头部、杆部及外圆尺寸公差一般在± 0． 010 mm，从加工尺寸分析，该类产品公差控制得特别严，外表没有任何划痕、碰伤或加工缺陷，采用热处理后滚搓牙工艺，8． 8 级及以上螺栓在加工工艺中，牙尖部分不允许存在折叠裂纹，且完全避免螺栓杆部弯曲、变形，应力集中等此类质量问题，品质管控“零缺陷”。
螺栓与螺母应属于相匹配的性能等级，或由同样的材料制成。表面涂层影响连接件功能的可靠性及其寿命，选择涂层时考虑腐蚀、氢脆、摩擦系数的影响。表面防护涂层在抗拉强度Ｒm≥1000 MPa 淬火并回火时，不选择会发生氢脆的防护涂层，对转向架安装采用10． 9 级的M16、M14 的螺栓，其防腐要求采用达克罗膜厚5 ～ 8 μm，不采用常规的有可能导致氢脆的电镀锌的方法，而达克罗( 锌铬膜涂层)主要是配合上的螺纹中径尺寸的偏差。动车组螺栓的缺陷主要为扭矩松动、断裂、防腐性能差、达克罗层脱落等问题。
在安装时对紧固件螺纹的精度要求极高，表面防腐性能要求严格，针对国内企业暂时无法达到此技术要求难点，还需组织技术攻关，即用产学研相结合的科研创新攻关模式。
