腐蝕后M24高強(qiáng)度螺栓疲勞性能試驗(yàn)

陳慶偉, 謝丹, 馬輝, 郭琪, 楊晨晴, 吳澤燕

(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 濟(jì)南 250021； 2.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 太原 030024)

高強(qiáng)度螺栓作為鋼結(jié)構(gòu)的重要連接件，其安全性能直接決定著整體結(jié)構(gòu)的可靠性。在往復(fù)荷載作用下，螺栓的疲勞損傷將逐漸累積，隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，螺栓又不可避免的產(chǎn)生腐蝕，腐蝕引起的局部應(yīng)力增大加速了螺栓的疲勞失效過程。高強(qiáng)度螺栓腐蝕后發(fā)生疲勞失效的事故屢見不鮮：2015年，西北某變電站750 kV主變進(jìn)線構(gòu)架端撐柱側(cè)避雷針在服役1年后疲勞破壞并跌落，跌落避雷針根部連接的高強(qiáng)度螺栓全部散落在場(chǎng)地內(nèi)，其中11個(gè)M20高強(qiáng)度螺栓斷裂面平整，斷面超過80%存在銹蝕痕跡。同年，某服役僅2年的變電站龍門架因柱頂與避雷針底部法蘭連接處螺栓疲勞而導(dǎo)致避雷針倒塌，螺栓斷面可觀察到明顯的銹蝕痕跡，也是由于高強(qiáng)度螺栓的腐蝕疲勞問題導(dǎo)致。

在高強(qiáng)度螺栓的軸向疲勞方面，劉丹等[1]通過探究應(yīng)力比對(duì)高強(qiáng)度螺栓疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力比與疲勞壽命整體上呈負(fù)相關(guān)。馮徐澤等[2]通過螺栓球節(jié)點(diǎn)中的M39高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行拉伸疲勞試驗(yàn)研究，并利用線性損傷原則，將變幅疲勞壽命折算成等幅疲勞壽命。Ajawei等[3]通過不同預(yù)緊力下高強(qiáng)度螺栓的疲勞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力減小導(dǎo)致高強(qiáng)度螺栓應(yīng)力波動(dòng)范圍增大，高強(qiáng)度螺栓的疲勞壽命降低。段焱森等[4]發(fā)現(xiàn)42CrMoA高強(qiáng)螺栓的應(yīng)力幅越高，裂紋擴(kuò)展速率越大，其高頻疲勞壽命越低。在高強(qiáng)度螺栓的彎曲疲勞方面，陳標(biāo)等[5]通過高強(qiáng)度螺栓旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)螺栓的疲勞損傷累積呈全域性分布特點(diǎn)，且其距離斷口越近材料組織的疲勞損傷程度越大。潘越[6]通過高強(qiáng)度螺栓純彎曲疲勞試驗(yàn)，獲得了高強(qiáng)度螺栓彎曲疲勞S-N曲線，在高強(qiáng)度螺栓的剪切疲勞方面；焦晉峰等[7]針對(duì)銷軸連接高強(qiáng)螺栓進(jìn)行了常幅疲勞試驗(yàn)，建立了以名義應(yīng)力幅和缺口應(yīng)力幅為變量的常幅疲勞計(jì)算公式，Wang等[8]通過不銹鋼螺栓在等幅剪切載荷作用下疲勞試驗(yàn)研究，獲得了不同應(yīng)力幅下剪切疲勞壽命。在高強(qiáng)度螺栓的腐蝕研究方面，Lachowicz等[9]通過金相檢驗(yàn)的方法對(duì)高強(qiáng)度螺栓腐蝕疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載和腐蝕環(huán)境的共同作用是導(dǎo)致高強(qiáng)度螺栓疲勞破壞的原因。文娟等[10]針對(duì)朝天門大橋脫落斷裂的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行了疲勞性能研究，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓的斷裂失效與大氣腐蝕環(huán)境有關(guān)。Zeng等[11]開展了實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)下耐候鋼螺栓的金相觀察，發(fā)現(xiàn)耐候螺栓的組織為回火索氏體，耐候鋼螺栓有良好的耐腐蝕性。邱萍等[12]通過對(duì)304不銹鋼螺栓腐蝕行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)304不銹鋼在海水環(huán)境中的腐蝕速率大約是淡水環(huán)境中的2倍。

可以看出，目前大多研究主要集中在未腐蝕螺栓的疲勞性能，雖然高強(qiáng)度螺栓的腐蝕疲勞問題開始逐步被重視，但其研究主要在螺栓腐蝕后的腐蝕產(chǎn)物分析及靜力性能退化，腐蝕后高強(qiáng)度螺栓的軸向疲勞性能研究亟待開展。針對(duì)上述問題，在高強(qiáng)度螺栓中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)對(duì)其宏微觀銹層形貌展開研究，并在高強(qiáng)度螺栓腐蝕后疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其疲勞斷口、破壞機(jī)理和疲勞壽命進(jìn)行分析。

1 高強(qiáng)度螺栓加速腐蝕試驗(yàn)

1.1 高強(qiáng)度螺栓試樣

采用由中鐵山橋集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的ML20MnTiB的8.8級(jí)M24高強(qiáng)度大六角頭螺栓和材質(zhì)為10H的大六角頭螺母，螺栓的螺紋段長(zhǎng)55 mm，光滑段長(zhǎng)50 mm，T型螺紋，螺紋間距3 mm，如圖1所示，尺寸規(guī)格符合《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度大六角頭螺栓》(GB/T 1228—2006)[13]的要求，其化學(xué)成分，如表1所示。

圖1 M24高強(qiáng)度螺栓參數(shù)Fig.1 Size of M24 high-strength bolt

表1 M24高強(qiáng)度螺栓的化學(xué)元素Table 1 Chemical composition of M24 high-strength bolts

1.2 螺栓靜力試驗(yàn)

根據(jù)《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)[14]，選取3根螺栓開展靜力單調(diào)拉伸試驗(yàn)，獲取其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，以應(yīng)力和應(yīng)變曲線中傾斜段斜率變化的點(diǎn)為屈服強(qiáng)度點(diǎn)，以曲線的最高點(diǎn)為極限抗拉強(qiáng)度點(diǎn)，如圖2所示。根據(jù)《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》GB/T 3098.1—2010[14]和荷載位移曲線計(jì)算M24高強(qiáng)度螺栓的斷面收縮率，結(jié)果如表2所示。

(1)

式(1)中：At為斷面損失率，%；ΔLp為水平坐標(biāo)差值，mm；d為高強(qiáng)度螺栓直徑，mm。

圖2 高強(qiáng)度螺栓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of high-strength bolts

1.3 加速腐蝕試驗(yàn)

采用持續(xù)中性鹽霧試驗(yàn)，將高強(qiáng)度螺栓置入安穩(wěn)特YWX/F-750鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱中進(jìn)行加速腐蝕，如圖3所示。依據(jù)《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》(GB/T10125—2012)[15]，箱內(nèi)溫度恒定為35 ℃，采用分析純NaCl和純凈水制備50 g/L的溶液，pH為6～7。此外，分別選取經(jīng)過磷化、皂化和浸油(JY)與磷化、皂化和無浸油(WY)兩種不同表面處理方式的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行對(duì)比。腐蝕時(shí)間選取0、100、150 d，分別記作JY-0、JY-100、JY-150和WY-0、WY-100、WY-150。

表2 M24高強(qiáng)度螺栓的力學(xué)參數(shù)Table 2 Parameters of mechanical properties of M24 high-strength bolt

圖3 高強(qiáng)度螺栓鹽霧腐蝕示意圖Fig.3 Schematic diagram of salt spray corrosion of high-strength bolts

2 疲勞性能試驗(yàn)

試驗(yàn)加載裝置材料為Q355B，如圖4所示，可以保障高強(qiáng)度螺栓的疲勞試驗(yàn)有效開展。為了精確地監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中螺栓的變化，在螺栓光滑段加工出20 mm×10 mm的平面粘貼應(yīng)變片，螺栓頭部加工直徑為2 mm的圓孔，引出導(dǎo)線與應(yīng)變采集儀相連，應(yīng)變儀采樣頻率為100 Hz。為了防止螺栓松動(dòng)和脫落，試驗(yàn)前通過扭矩扳手對(duì)試驗(yàn)高強(qiáng)度螺栓施加預(yù)緊力F=60 kN。本試驗(yàn)為常幅疲勞試驗(yàn)，為探究不同腐蝕時(shí)間對(duì)疲勞性能的影響，保持應(yīng)力幅Δσ=240 MPa恒定，應(yīng)力比R=0.3，加載頻率5 Hz。

圖4 高強(qiáng)度螺栓疲勞試驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of fatigue test of high-strength bolt

3 加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

3.1 腐蝕后高強(qiáng)度螺栓銹層形貌

達(dá)到指定腐蝕時(shí)間后，將浸油和無浸油螺栓從鹽霧試驗(yàn)箱取出。可以觀察到所有被腐蝕螺栓的表面凹凸不平，并且存在黑色瘤狀物質(zhì)。腐蝕JY-100和WY-100螺栓的螺紋段未被腐蝕產(chǎn)物包裹，仍能觀察到外露的螺紋，JY-150和WY-150螺栓的螺紋段已經(jīng)全部被銹層包裹。螺栓表面的銹層隨著腐蝕時(shí)間的增加顏色逐漸由深黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色，腐蝕產(chǎn)物逐漸增多。螺栓表面外銹層呈褐色，并且疏松易脫落。在外銹層脫落的位置可以看到呈黃褐色內(nèi)銹層，浸油螺栓和無浸油螺栓的銹層形貌基本無差別，如圖5所示。

圖5 高強(qiáng)度螺栓表面銹層形貌Fig.5 Rust layer of corroded high-strength bolt

對(duì)WY-150螺栓表面銹層進(jìn)行電鏡掃描(SEM)，如圖6所示。由圖6可知螺栓表面的銹層由以下4種成分組成：羽毛狀結(jié)構(gòu)的纖鐵礦γ-FeOOH，如圖6(a)所示；蟲巢狀的纖鐵礦γ-FeOOH，如圖6(b)所示；針狀結(jié)構(gòu)的針鐵礦α-FeOOH，如圖6(c)所示；呈球狀結(jié)構(gòu)的氯化鈉和氫基氧化鐵的聚合物，如圖6(d)所示。隨著腐蝕的進(jìn)行，這些腐蝕產(chǎn)物之間會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，腐蝕初期主要為γ-FeOOH，隨著腐蝕時(shí)間的增多γ-FeOOH逐漸轉(zhuǎn)化成α-FeOOH。

圖6 高強(qiáng)度螺栓銹層SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photo of rust layer of high strength bolt

3.2 腐蝕后高強(qiáng)度螺栓表面形貌

將腐蝕后的高強(qiáng)度螺栓置于含六次甲基四胺的HCl緩蝕液的超聲波清洗儀中進(jìn)行除銹，待螺栓表面所有銹層脫落后，使用清水沖洗，最后使用酒精擦拭并干燥。可以觀察到螺栓表面凹凸不平，并存在大量的蝕坑，如圖7(a)～圖7(d)所示。通過螺紋局部位置的觀察，發(fā)現(xiàn)螺牙部位缺失嚴(yán)重。JY-100和WF-100螺栓在螺牙尖端出現(xiàn)大量蝕坑，螺牙根部蝕坑較少，如圖7(e)和圖7(g)所示。JY-150和WY-150螺栓螺牙厚度損失嚴(yán)重，螺牙根部也觀察到大量蝕坑，并且WY-150螺栓螺牙根部蝕坑分布密度比JY-150螺栓大，如圖7(f)和圖7(h)所示?？梢钥闯?，浸油處理能在短期內(nèi)能于螺栓表面形成保護(hù)層，但隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)(100 d以后)，浸油和無油螺栓差異較小。

圖8 腐蝕后高強(qiáng)度螺栓疲勞破壞模式Fig.8 Fatigue failure mode of high strength bolt after corrosion

圖7 腐蝕后M24高強(qiáng)度螺栓的表面形貌Fig.7 Surface morphology of M24 high strength bolt after corrosion

此外，采用電子天平(0.01 g)測(cè)定腐蝕前后高強(qiáng)度螺栓的質(zhì)量，按式(2)計(jì)算質(zhì)量損失率ρ。JY-100和WY-100螺栓的質(zhì)量損失率分別為3.4%和3.5%，JY-150和WY-150螺栓的質(zhì)量損失率分別達(dá)到6.6%和6.0%，可見兩種螺栓的質(zhì)量損失十分接近，中性鹽霧環(huán)境下，浸油與否對(duì)質(zhì)量損失的影響較小。

(2)

式(2)中：ρ為質(zhì)量損失率，%；m0為初始質(zhì)量，g；mt為腐蝕t時(shí)間后的質(zhì)量，g。

4 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 腐蝕后高強(qiáng)度螺栓的疲勞破壞形態(tài)

腐蝕后高強(qiáng)度螺栓的疲勞破壞模式，如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)所有螺栓的破壞位置都發(fā)生在第4～5個(gè)螺紋處，該位置是螺母和螺栓接觸的第1個(gè)螺紋處，局部應(yīng)力較大，因此螺栓均在此處破壞?？梢姼g時(shí)間和有無浸油并不會(huì)影響高強(qiáng)度螺栓疲勞斷裂的位置。

利用光學(xué)顯微鏡觀察疲勞斷口附近螺紋縱斷面，可以看到JY-0和WY-0螺牙表面完整、光滑，如圖9(a)和圖9(d)所示。JY-100和WY-100螺栓的螺牙出現(xiàn)了部分缺失，并且根部均存在不均勻的蝕坑，螺紋根部出現(xiàn)了微裂紋，如圖9(b)和圖9(e)所示。與JY-100和WY-100相比，JY-150和WY-150的螺牙及螺紋根部表面更加粗糙，基本無法觀察到完整連續(xù)的圓弧段，螺紋根部微裂紋的出現(xiàn)得更加頻繁，如圖9(c)和圖9(f)所示。

綜上所述，腐蝕作用下螺牙處和螺紋根部均產(chǎn)生了大量蝕坑，腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，蝕坑深度越大，對(duì)螺栓表面的削弱越多。腐蝕不僅導(dǎo)致了螺栓截面尺寸的減小，還增大了此處的應(yīng)力集中，促使疲勞裂紋在此處萌生。特別是螺紋根部，其原始厚度較小，加之蝕坑應(yīng)力集中的影響，使此處極易萌生疲勞裂紋，加速整個(gè)疲勞進(jìn)程。

4.2 腐蝕后高強(qiáng)度螺栓的疲勞斷口分析

腐蝕后高強(qiáng)度螺栓的宏觀疲勞斷口，如圖10所示。斷口可分為裂紋萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，疲勞源均萌生于螺紋的根部。JY-0裂紋擴(kuò)展區(qū)可觀察到黑色細(xì)小孔洞，這可能是螺栓材料的冶煉缺陷造成的。JY-0和WY-0螺栓基本表現(xiàn)為單疲勞源特征，如圖10(a)和圖10(d)所示。隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，腐蝕逐漸嚴(yán)重，蝕坑的深度和寬度逐步增長(zhǎng)，JY-100、WY-100、JY-150、WY-150表現(xiàn)出典型的多源疲勞特征，如圖10(b)～圖10(f)所示，均可觀察到2～3個(gè)疲勞源，這可能是由于螺紋根部形成的蝕坑加速了疲勞源形成，促使了多個(gè)疲勞源和擴(kuò)展區(qū)的出現(xiàn)。對(duì)比浸油螺栓和無浸油螺栓，可以發(fā)現(xiàn)二者的破壞模式和位置均沒有表現(xiàn)出明顯差異，這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)期的腐蝕過程中，表面浸油形成的保護(hù)層已被破壞，喪失了防護(hù)作用。

圖9 光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.9 Optical microscope photograph

圖10 腐蝕后高強(qiáng)度螺栓疲勞斷口Fig.10 Fatigue fracture of high strength bolt after corrosion

4.3 剛度分析

為了研究試驗(yàn)過程中高強(qiáng)度螺栓剛度的變化，試驗(yàn)過程中對(duì)螺栓的荷載和位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，如圖11所示，其中Nf為該試件的最終壽命?？梢钥闯觯?～0.2Nf階段，高強(qiáng)度螺栓發(fā)生了微量的滑移；(0.2～0.8)Nf階段，荷載位移曲線偏移量較??；(0.8～1.0)Nf階段，突然發(fā)生比較大的便宜，滑移量達(dá)到約0.45 mm。

為定量表述高強(qiáng)度螺栓的剛度，分析不同腐蝕時(shí)間其剛度演化情況，引入一個(gè)無量綱參數(shù)k，k為剛度百分比，如式(3)所示。荷載位移曲線的斜率為該螺栓在各階段壽命Ni時(shí)的計(jì)算剛度，記為Ki；初始階段的計(jì)算剛度記為K0。不同腐蝕時(shí)間浸油和無浸油螺栓的剛度百分比k與Ni/Nf(各階段壽命與最終壽命的比值)的關(guān)系如圖12所示。

(3)

式(3)中：k為剛度百分比，%；Ki為不同壽命階段的計(jì)算剛度，N/mm；K0為初始計(jì)算剛度，N/mm。

高強(qiáng)度螺栓的剛度變化為明顯的三段式曲線，

圖11 JY高強(qiáng)度螺栓荷載-位移關(guān)系Fig.11 Relationshipbetween load and displacement of JY high strength bolt

圖12 高強(qiáng)度螺栓剛度百分比與壽命比關(guān)系Fig.12 Relationshipbetween stiffness ratio and fatigue life

在0.2Nf之前高強(qiáng)度螺栓的剛度輕微下降(約5%)；在(0.2～0.8)Nf階段，剛度基本保持穩(wěn)定，疲勞裂紋在此階段逐漸萌生，疲勞損傷不斷累積，位移和剛度變化并不明顯；0.8Nf之后螺栓剛度比出現(xiàn)突變(下降約15%)，此階段裂紋快速擴(kuò)展，位移快速增加，在經(jīng)歷較短的周期后，高強(qiáng)度螺栓疲勞破壞螺栓疲勞失效。此外，腐蝕后的浸油與無浸油螺栓在剛度上未表現(xiàn)出明顯的差異。

4.4 疲勞壽命分析

對(duì)比不同腐蝕時(shí)間下有無浸油螺栓的疲勞壽命，如圖13所示?？梢钥吹浇吐菟ê蜔o浸油螺栓的疲勞壽命Nf都隨著腐蝕t的增加逐漸降低。腐蝕100 d的無浸油螺栓疲勞壽命比無腐蝕螺栓下降了16%，腐蝕150 d后比無腐蝕螺栓疲勞下降了28%。

圖13 M24高強(qiáng)度螺栓腐蝕時(shí)間-疲勞壽命關(guān)系Fig.13 Relationship between corrosion time and fatigue life of M24 high strength bolts

對(duì)于浸油螺栓，腐蝕100 d的螺栓比無腐蝕螺栓的疲勞壽命降低了40%，腐蝕150 d后比無腐蝕螺栓疲勞壽命下降36%。腐蝕150 d的試件疲勞壽命略高于腐蝕100 d的試件的疲勞壽命，這可能由于疲勞數(shù)據(jù)的離散性導(dǎo)致的。在腐蝕0 d時(shí)，WY-0僅比JY-0的疲勞壽命降低了2%，腐蝕100 d時(shí)，WY-100比JY-100的疲勞壽命增加了27%，腐蝕150 d時(shí)，WY-150的疲勞壽命比JY-150減少了9%。可見隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，浸油螺栓和未浸油螺栓的疲勞壽命整體仍呈下降趨勢(shì)，浸油螺栓與未浸油螺栓在疲勞壽命上并未表現(xiàn)出較大差異。

5 結(jié)論

開展了浸油和無浸油兩種M24高強(qiáng)度螺栓的加速腐蝕試驗(yàn)，對(duì)二者腐蝕前后的宏微觀表面進(jìn)行了觀察，并在腐蝕后高強(qiáng)度螺栓的疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)兩種螺栓的疲勞斷口和疲勞壽命進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

(1)腐蝕后浸油和無浸油螺栓表面均存在大量的蝕坑，且螺紋段的螺牙損失嚴(yán)重。隨著腐蝕時(shí)間數(shù)的增加，兩種螺栓的螺牙處和螺紋根部均出現(xiàn)大量的蝕坑。相同腐蝕時(shí)間下，浸油和無浸油螺栓的質(zhì)量損失基本相同。

(2)腐蝕后浸油和無浸油高強(qiáng)度螺栓的疲勞破壞位置均為螺母與螺紋咬合的第一個(gè)螺紋處，然而隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，其破壞模式由單疲勞源破壞逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥谠雌茐?。腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，蝕坑的數(shù)量和尺寸越大，蝕坑的形成和發(fā)展加速了疲勞裂紋的萌生。

(3)腐蝕后浸油和無浸油螺栓剛度的退化為明顯的三段式曲線，0.2Nf之前降低5%，(0.2～0.8)Nf基本保持穩(wěn)定，0.8Nf之后螺栓剛度陡然降低15%。

(4)獲取了兩種高強(qiáng)度螺栓不同腐蝕時(shí)間下的疲勞壽命，腐蝕時(shí)間越長(zhǎng)，疲勞壽命的劣化越嚴(yán)重，腐蝕150d時(shí)，浸油和無浸油螺栓的疲勞壽命分別下降了36%和28%。浸油和無浸油的處理方式未對(duì)腐蝕后高強(qiáng)度螺栓的疲勞性能產(chǎn)生較大影響。