为什么强度越高，螺栓疲劳寿命反而越低？

很多时候，我们往往凭借屈服强度与抗拉强度，来判定螺栓是否可靠。

今日，江苏锦瑞小编为大家分享一项针对高强度螺栓的研究，此研究将重新考量强度和寿命之间的关联，还会探讨在强度一致的情况下，影响疲劳寿命的关键要素及其工程方面的意义。

一、螺栓强度与寿命

高强度螺栓长期经受循环载荷作用，其疲劳可靠性对结构安全有着直接影响。丹麦技术大学的研究团队在相关研究里发现：部分已达到甚至大幅超出强度要求的螺栓，在服役时仍会出现过早的疲劳断裂现象。

为此，该团队选取了两批名义上毫无差别的10.9级高强度螺栓。常规拉伸试验中，两批都符合标准，其中一批的屈服强度和抗拉强度表现更优。

然而，于疲劳试验过程里，这两批螺栓呈现出的寿命差异极为明显：静强度更高的那批螺栓，反倒更早地出现了失效情况。

二、疲劳的起源

与静载失效有所差异，疲劳并非在瞬间产生，而是一个循序渐进的演变过程。疲劳裂纹的演变大致能划分成三个阶段：裂纹初始萌生阶段、短裂纹持续扩展阶段，还有长裂纹不断扩展直至最终断裂阶段。

在高周疲劳情形下，裂纹从初始生成到逐渐扩大的过程，通常会耗费结构绝大部分的使用寿命；而当宏观裂纹已能被肉眼察觉时，真正能够补救的寿命已寥寥无几。

对螺栓来说，疲劳寿命的差别，往往并非体现在最终断裂的情况上，而是源于裂纹最初产生与早期扩展阶段的差异。

三、螺纹根部

螺栓并非是完美均匀的构件。其几何形态与受力模式，使得疲劳损伤常常率先在螺纹根部聚集。

研究人员选取未进行过疲劳试验的螺栓螺纹段，对螺纹根部展开系统的显微观察。结果发现，螺纹根部表面及近表层，普遍存在多种类型的局部不连续状况。尤为关键的是，这些不连续并非疲劳加载后造成的损伤，而是在螺纹加工结束就已存在。

为规避以个例作判断的情况，研究团队针对多根螺栓的多个螺纹根部开展了统计分析。结果表明，此类微小缺陷并非偶然产生，而是在不同螺栓、不同螺纹根部处反复被观测到。

进一步开展统计分析后发现，此类缺陷并非孤立存在，而是在不同螺栓、不同螺纹根部处频繁显现。制造环节在这一关键区域不可避免地遗留了某种“初始状态”。

四、缺陷尺寸分析

仅仅知晓存在缺陷，还不足以阐明疲劳寿命差异的原因。研究显示，缺陷数量本身和疲劳寿命之间，无法形成直接的对应关联。

真正的关键所在，体现在缺陷尺寸的统计分布方面。一批螺栓的缺陷尺寸集中在较小区间，另一批却有少量尺寸大得多的缺陷，让整体分布呈现出明显的“长尾”特征。

疲劳寿命的缩减，通常并非取决于平均缺陷程度，而是受个别尺寸最大的缺陷所主导。真正值得重视的，并非缺陷是否存在这一情况，而是缺陷是否达到了某一关键尺寸。

五、危险尺寸分析

究竟多大的缺陷，才会在疲劳进程中真正发挥决定性影响呢？

电子背散射衍射（EBSD）的检测结果表明，高强度螺栓内部呈现出典型的回火马氏体组织，其组织单元的尺度处于微米级别。这为缺陷尺寸提供了物理参考依据：当缺陷尺寸与组织尺度相近时，裂纹的扩展会受到显著制约；而一旦缺陷尺寸明显超出这一范围，裂纹便更容易持续蔓延。

基于此，研究提出了“危险尺寸”这一概念：