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影响“穿墙螺杆”疲劳性能的主要因素

影响螺栓疲劳性能的主要因素有以下几点:

(1)  螺纹牙沟形状和半径尺寸的影响。穿墙螺杆 受载时,螺纹牙沟处就会产生应力集中,其值在很大程度上取决于牙沟的形状。改变牙沟的形状如螺纹的沟槽越平滑,应力集中就越小,疲劳强度则越高。一般而言,平底牙沟的 穿墙螺杆 疲劳强度最低。

如以圆形牙沟代替平底牙沟,螺栓的疲劳强度便可得到提高。如JIS形状螺纹牙沟的弹性应力集中系数为2.54,而改进的R-r形状牙沟为1.52,即后者的牙沟应力集中系数较前者降低了40%,从而可使疲劳强度至少提高20%;又如经调质处理的40CrNiMo钢制螺栓,螺纹为6 mmx1.0 mm的平底牙沟时其疲劳强度为95 MPa,而采用最大半径为0.1 mm的弧形牙沟时,其疲劳强度可提高到120 MPa,即提高26%/221。

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日本新日铁公司新开发的CD (critical design for fracture)的疲劳强度提高的幅度更大,高达100%。CD穿墙螺栓的主要特点是螺母内螺纹牙的高度逐渐降低,以使其受力更为均匀。

(2)螺纹表面粗糙度的影响。螺纹的表面粗糙度对螺栓的疲劳寿命影响很大。如螺纹为6 mmx1.0 mm的40CrNiMo钢制穿墙螺栓,其粗糙度Ra由0.08~0.16降到0.63~1.35时,疲劳强度下降33%;螺纹尺寸为12 mmx1.5 mm的螺栓其表面粗糙度R。由0.08~0.16降到0.16~0.32时,疲劳强度下降21%。

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(3)螺纹滚丝工序的影响。滚压螺纹会产生形变强化层和较高的残余压应力,对阻止疲劳裂纹的萌生和早期扩展起很大作用:同时,也会降低牙沟的表面粗糙度,因而有利于螺栓疲劳强度的提高。但是如果滚压螺纹后再进行热处理,就会使上述有利因素消失。所以从改善螺栓疲劳性能的角度考虑,应在热处理后滚压螺。但此时存在另一-个问题,即螺栓特别是高强度螺栓经过热处理后其硬度通常较高,致使滚丝模寿命降低。此外,如果滚丝的质量不够好,在螺纹的表面或根部产生微裂纹或类似接触疲劳的剥落现象,则改善螺栓疲劳性能的效果不明显,甚至会降低其疲劳性能。


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