转自公众号：螺栓连接安全校核 螺栓连接的失效包括螺栓失效、接触面失效以及螺纹失效三种类型。螺栓失效通常包括螺栓发生永久性变形、被拉断、被剪断以及发生疲劳断裂，可以采用螺栓屈服强度安全系数、抗拉强度安全系数、剪切强度安全系数以及疲劳强度安全系数来度量和评估。接触面失效包括接触面之间产生相对滑移、接触表面被压溃、接触面出现泄漏或单边张开以及表面接触电阻超限，可以采用接触面抗滑移安全系数、表面压溃安全系数、抗单边张开安全系数以及表面接触电阻安全系数来评估。螺纹失效主要考虑啮合螺纹的撸丝脱扣，通常采用螺纹旋合长度来校核。上述内容前文均有所涉及，本文将讨论螺栓失效的另外一种形式——静载延迟断裂。
转自公众号：螺栓连接安全校核
螺栓连接的失效包括螺栓失效、接触面失效以及螺纹失效三种类型。螺栓失效通常包括螺栓发生永久性变形、被拉断、被剪断以及发生疲劳断裂，可以采用螺栓屈服强度安全系数、抗拉强度安全系数、剪切强度安全系数以及疲劳强度安全系数来度量和评估。接触面失效包括接触面之间产生相对滑移、接触表面被压溃、接触面出现泄漏或单边张开以及表面接触电阻超限，可以采用接触面抗滑移安全系数、表面压溃安全系数、抗单边张开安全系数以及表面接触电阻安全系数来评估。螺纹失效主要考虑啮合螺纹的撸丝脱扣，通常采用螺纹旋合长度来校核。上述内容前文均有所涉及，本文将讨论螺栓失效的另外一种形式——静载延迟断裂。
01 高强度螺栓静载延迟断裂的机理
螺栓氢致延迟断裂首先是螺栓内部存在能够诱使螺栓提前脆性断裂的氢元素。螺栓中氢元素的来源可分为两类：一类是在制造过程中浸入氢，这类氢通常称为内氢。在金属冶炼或螺栓生产过程中，尤其在酸洗、磷化、电镀等表面处理过程中，在高温作用下氢浸入至金属基体中。在后续驱氢工序中螺栓内部的氢未能完全逸出，部分残留在金属内部。另一类是在服役过程中浸入氢，这类氢通常称为外氢。长期暴露于高温潮湿环境中的螺栓，局部容易发生腐蚀，腐蚀坑处反应生成的氢或服役环境中含有较多氢气或硫化氢气体，通过吸附作用分解出氢原子，氢原子通过腐蚀表面逐渐扩散至金属组织内部。
金属组织内部不可避免地存在一定的微观间隙，譬如裂隙、位错、晶界及夹杂等等，由于氢原子或氢离子不溶于金属，这些微观间隙充当氢原子及离子扩散的通道和聚集的场所。自由的氢元素在组织微间隙中不停地游荡和聚集，当氢原子或氢离子聚集到一定浓度时会聚合成氢分子，此聚合过程体积膨胀，在钢组织内部产生极大的内压，随着氢元素的不断聚集，氢分子的不断聚合，组织内部的压力越来越大，当达到一定程度时就会引起钢组织的晶界断裂，产生晶间裂纹。大量晶间裂纹的产生将显著降低钢材的韧性，在外部应力作用下，最终导致材料宏观上的脆性断裂。
当然，真实的氢脆过程非常复杂，是环境、材料和应力三者耦合作用的结果。生产和服役环境决定渗入基体内部氢的浓度；材料属性决定氢在材料内部的扩散路径、扩散速度以及与氢元素间的交互机理；应力水平决定宏观断裂所需要的微观裂纹累积的时长。氢脆的发生取决于氢元素在金属中的状态，如吸附、扩散、富集等，并通过其与微观组织的交互作用，以形成氢压、弱化金属原子键合力、降低表面能或改变局部塑性变形等方式降低材料的韧性，使其在应力水平远小于屈服强度的情况下提前发生脆性断裂。氢致延迟断裂是一个极其复杂的过程，受多种因素的综合作用，延迟的长短差异性很大，有的仅为几小时，有的却长达数年甚至更长时间。通常认为以内氢为主要氢来源的延迟断裂，其延时较短；以外氢为主要氢来源的延迟断裂，其延时相对较长。
随着研究的不断深入，对于氢致延迟断裂的机理已提出多种理论，以氢压理论、弱键理论、氢降低表面能理论、氢促进局部塑性变形理论等较为知名，遗憾的是到目前为止还没有一种理论可以圆满解释氢致延迟的所有断裂现象，对其破坏机理还需要从微观断裂过程、氢致裂纹形成和扩展以及定量测量和表征等方面开展更深入的研究。
虽然材料氢致延迟断裂的机理尚处于争论中，随着研究的不断深入以及工程经验的不断积累，对于螺栓氢致延迟断裂的影响因素基本上是清晰的。这些影响因素包括：（1）螺栓的性能等级，螺栓性能等级越高发生氢脆的风险越大。一般而言螺栓的强度越高，其断裂韧性越低，对微观裂纹越敏感；（2）螺栓的应力水平，螺栓应力水平越高，产生氢脆的风险越大。通常表现为装配过程中超拧的螺栓更容易发生脆断，形位公差控制不严的螺栓更容易发生脆断，夹持长度较短的螺栓更容易发生脆断，针对一颗断裂螺栓，脆断的部位均是应力集中显著的区域；（3）螺栓中氢气的浓度，经过酸洗或电镀等表面处理的螺栓更容易产生氢脆，未驱氢或驱氢不充分的螺栓更容易产生氢脆，处于高温潮湿环境中的螺栓更容易产生氢脆。
02 高强度螺栓静载延迟断裂的危害
针对某大型桥梁锚固节点处的螺栓连接，该连接为摩擦型高强度预紧螺栓连接，外部工作载荷以横向剪力为主，该螺栓连接的生命周期大致可分为如下几个阶段：
1. 稳固阶段
此阶段为摩擦型螺栓连接的正常工作阶段。在此阶段，螺栓的外部横向工作载荷全部由被连接件接触面之间的抗滑移阻力（或等效摩擦力）来传递。接触面间的总抗滑移阻力大于外部横向载荷，被连接件之间无相对滑移，螺栓本身不承受横向工作载荷，即满足如下条件：
其中， F RK,i 为第 i 颗螺栓处的被连接件之间的夹紧力，对于断裂或缺失的螺栓有 F RK,i =0， μ TC 为接触面间的抗滑移系数， F Qmax 为结构的最大横向工作载荷。
由于接触面的微结构沉降及材料蠕变等原因，螺栓预紧力不可避免地出现一定损失；或者个别螺栓由于延迟断裂而脱落；被连接件接触面间的总抗滑移阻力有所降低，但总抗滑移阻力仍大于外部的横向工作载荷，满足上述条件，被连接件之间未发生相对滑移，在此阶段结构是安全的，只是安全裕度有所降低。
此阶段的判断准则为被连接件之间无相对滑移，在此阶段螺栓连接是安全的。
2. 滑移阶段
随着螺栓轴力的进一步降低或发生延迟断裂的螺栓进一步增多，被连接件间的总抗滑移阻力进一步下降，当总抗滑移阻力小于外部横向工作载荷时，被连接件之间发生相对的错动和滑移。
一旦产生相对滑移，部分螺栓就可能与孔壁接触并产生相互作用力。此时外部横向工作载荷由抗滑移阻力和螺栓与孔壁的相互作用力共同承担，有：
这里， F SQ,k 为第 k 颗螺栓与孔壁产生的相关作用力。
长时间的相对滑移，将引起螺栓预紧力的快速降低，导致接触面间抗滑移阻力的极速下降，被连接件之间的滑移愈加明显，将引起更多螺栓与孔壁发生接触。在此过程螺栓连接类型逐渐由摩擦型向承压型过渡。
此阶段的判断准则为被连接件之间产生相对滑移，在此阶段螺栓连接类型逐渐由摩擦型向承压型转变。在此阶段是安全的，但螺栓连接已不满足设计要求。
3. 承压阶段
若不采取补救措施，随着被连接件之间滑移的不断加剧，螺栓预紧力将损失殆尽，接触面间已无任何抗滑移阻力，所有横向工作载荷都将由螺栓组承担，有：
此时螺栓连接类型已完全退化为承压型螺栓连接。
若装配公差设置不当，螺栓组受力不均匀，局部螺栓受载较大，率先被剪断或螺栓孔发生挤压破坏。剩余螺栓将分担更大横向载荷，造成更多螺栓连接失效。螺栓组的渐次失效，将最终导致整个锚固节点的失效。
若装配公差设置合理，各螺栓均匀受载，且脱落螺栓被及时补齐，在相同横向工作载荷作用下，由于螺栓的抗剪断载荷通常大于在夹紧力作用下产生的抗滑移阻力，螺栓组被同时剪断的风险较低。螺栓孔的挤压破坏将成为失效的主要形式，这与被连接件的材质和厚度有关。(本分析未考虑螺栓与孔壁间隙配合和过盈配合的差异）
此阶段的螺栓连接由摩擦型退化至承压型，其风险程度依赖于螺栓的装配公差以及被连接件的抗挤压性能。
综上所述，对于摩擦型螺栓连接，其失效的重要标识是被连接件之间产生相对滑移。针对极个别螺栓的断裂缺失，全面的失效原因分析和缺失螺栓的及时补填回拧是非常必要的，确保被连接件之间不发生相对滑移。
上述分析仅为正常的螺栓连接失效演化过程，不涉及极限超载或其他恶劣条件。
03 高强度螺栓静载延迟断裂的规避
为规避工程中螺栓延迟断裂的发生，可以从以下几个方面考虑：首先，降低螺栓中氢元素的浓度，优化生产工艺、增加驱氢工序，降低环境腐蚀等等；其次，阻断氢在金属组织间的扩散与聚集，诸如优化热处理工艺、细化晶粒、减少晶界偏析、设置氢陷阱以诱捕自由氢元素等；再次，提高晶间断裂的能量释放率、增加材料的韧性，降低对微裂纹的敏感性，提高材料的耐静载延迟断裂的性能；最后，降低螺栓的应力集中程度，譬如优化螺栓局部结构，控制形位公差，适当降低螺栓预紧力等等。
具体操作则需要多方工作的联合开展，诸如耐延迟断裂超高强度螺栓用钢的研发及推广；以降低局部应力集中为目的的螺栓结构优化，譬如优化螺栓头下圆角、改善牙底角、增加螺纹切入过渡，严控螺栓承压面与螺栓轴线垂直度等等；装配过程中加大对装配形位公差的控制，降低附加弯矩引起的应力叠加；拧紧过程对扭矩的精准控制，避免螺栓被超拧；施工过程中采取有效防腐措施，避免螺栓腐蚀生锈等。
当然在螺栓连接设计时，可以尝试调整螺栓的选型策略。同样以桥梁锚固节点处的连接螺栓为例，工作载荷以横向剪力为主，连接方式为摩擦型高强度螺栓连接，采用控制扭矩的拧紧工艺。螺栓选型通常考虑如下关系：
式中， F KRmin 为螺栓连接处夹紧件的最小夹紧力， μ TC 为接触面抗滑移系数， F qmax 为单一螺栓受到的最大横向工作载荷。
其中，最小夹紧力 F KRmin 为在整个服役周期内，夹紧力的最小值，可表示为：
式中， F Mmin 为螺栓的最小预紧力， F loss 为螺栓预紧力的损失， F Amax 为螺栓最大轴向工作载荷， ΔF Vth 为温变产生的最大预紧力损失。若螺栓轴向工作载荷及温变的影响较少，后两项可忽略不计。
由于拧紧工具的精度以及螺纹副摩擦系数和承压面摩擦系数的离散性，即使在相同扭矩作用下，螺栓预紧力也有一定的离散性，定义拧紧系数：
其中 α A 为拧紧系数， F Mmax 为螺栓最大预紧力。对于采用扭矩控制法拧紧的螺栓连接，拧紧系数通常取1.6-1.8。螺栓的最大预紧力可表示为：
为了保证螺栓的使用安全，通常要求在螺栓处于最大预紧力条件下，螺栓的等效应力不超过螺栓的许用应力，许用应力可表示为：
这里 v 为螺栓屈服强度利用率，目前在国内风电和轨交等行业，利用率通常取VDI 2230的推荐值0.9；其他行业取值稍低，一般在0.75左右；部分头部汽车企业已采用角度控制或屈服点控制的拧紧方式，利用系数达到或超过1.0，即螺栓在预紧阶段就已达到材料的屈服状态。 R p 0.2 min 为螺栓的最小屈服强度。
考虑到螺栓承受拉伸和扭转的共同作用，螺栓最大预紧力可表示为：
接触面抗滑移系数 μ TC 是摩擦型螺栓连接的重要参数，TB 10212-2009明确规定栓焊梁的抗滑移系数需要通过试验测定，且试样出厂时抗滑移系数不小于0.55，安装时不小于0.45。经电弧喷铝处理后的接触面可满足设计要求。
单一螺栓最大横向载荷 F qmax 为螺栓在服役期间受到的最大剪力，与连接结构，滑移面个数、螺栓数量以及工作载荷有关。
在螺栓选型时，根据相关设计条件，可以得到所需螺栓的性能等级，即螺栓的最小屈服强度值：
通过上式可以看出，螺栓的选型与众多因素有关。针对相同的外部载荷，可以通过螺栓个数、性能等级以及公称直径的内部调整实现工程应用的最优综合性能。据目前掌握的信息，耐延迟断裂的超高强度螺栓尚未研制成功或未大面积推广，普遍认为拉伸强度超过1000MPa的高强度螺栓存在静载延迟断裂的风险，低于此值的螺栓发生延迟断裂的概率几乎为零。譬如某锚固节点处布置30颗M24的高强度螺栓，性能等级为10.9S，螺栓屈服强度利用率为0.7。若采用8.8S级的同尺寸高强度螺栓，由于无延迟断裂风险，螺栓屈服强度利用率可提高至0.9，在承担相同外部载荷的情况下，螺栓数量仅需增加4颗，占总量的13%。虽然螺栓的数量有所增加，但生产成本及后期的维护成本将大大降低，更为重要的是提高了桥梁结构的可靠性，提升了社会效益。当然还可以通过提高抗滑移系数、降低拧紧系数等系列措施作进一步优化。
04 结束语
现实中高强度螺栓的静载延迟断裂过程要复杂得多，其危害程度也随应用场景的不同而有所差异。以静态横向剪力为主要工作载荷的螺栓连接，采用摩擦型螺栓连接相对安全，即使螺栓预紧力损失严重、接触面产生相对滑移还有螺栓本身的抗剪及孔壁的抗挤压作为最后的安全屏障。若螺栓连接承受较大的轴向工作载荷，螺栓的静载延时断裂将导致更大的安全隐患。
