CN106680191A - 一种螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其包括以下步骤S1、对待测试螺栓进行装配，将螺栓和相应规格的螺母依据相关标准进行装配并安装在金属夹层上，得到螺栓装配模拟样件；S2、工业污染环境模拟试验，将螺栓装配模拟样件置于工业污染模拟环境中暴露，进行加速腐蚀试验；S3、螺栓疲劳性能测试，对试验后的螺栓进行疲劳性能测试，获取螺栓在模拟工业污染环境中的疲劳性能指数。本发明综合考虑了螺栓在实际使用时的装配操作、装配载荷、装配结构因素，以及工业污染环境腐蚀对螺栓疲劳性能的影响，有效评估了装配状态螺栓在环境和载荷协同作用下的疲劳性能。

Description

一种螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法
技术领域
本发明属于标准件性能评价领域，具体地涉及一种螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法。
背景技术
螺栓是一种使用量大、应用面广、通用性高的紧固标准件，在航空、航天、船舶等重要领域有着广泛应用。标准件由于其使用可靠性要求高，使用环境严酷，使用前必须进行严格的性能考核。由于普遍受到环境和载荷的双重作用，螺栓在使用前还需要开展大量腐蚀疲劳性能测试。因此，将螺栓使用时的装配载荷、装配结构、装配操作和环境腐蚀等因素进行有效结合的疲劳性能试验评价方法属于标准件性能评价技术的范畴。
螺栓疲劳性能指数是指通过规范化、标准化的试验和评估方法得到的，用于辅助评价同类其它产品疲劳性能的参比数据，是螺栓疲劳性能考核与评价的基准数据。螺栓腐蚀疲劳性能考核试验应包含环境腐蚀和应力载荷两大主要因素。其中，试验件应最大限度地接近螺栓实际使用时的应力状态和装配结构，腐蚀环境应最大限度地接近其实际使用环境，以获得最佳的螺栓腐蚀疲劳性能评估效果。
目前存在的问题主要包括三个方面。一是，螺栓腐蚀与疲劳性能检测是分立的两个试验，不能考核环境腐蚀与载荷之间的协同效应；二是，没有考虑装配操作对螺栓表面的破坏，以及装配结构和螺栓受力状态对螺栓腐蚀疲劳性能的影响；三是，试验环境与螺栓的实际使用环境差异较大。
北京大学2014年公开的专利《螺栓低温大载荷疲劳性能测试装置及方法》(公开号CN 103278391B)属于特殊低温条件下螺栓的疲劳性能评估方法，与常用螺栓的实际使用环境差异明显。西安飞机设计研究所2014年公开的专利《一种飞机螺栓的疲劳寿命设计方法》(公开号CN 103530486A)通过理论方法计算获得螺栓的疲劳寿命，没有对螺栓进行实物腐蚀和疲劳试验。太原理工大学2010年发表的《螺栓球网架高强度螺栓变幅疲劳性能的试验研究及疲劳寿命估算》文章中对两种高强度螺栓进行疲劳性能试验和疲劳寿命评估，采用的疲劳性能试验方法没有考虑使用环境与装配载荷之间的协同效应。海军航空工程学院青岛分院2012年发表的《预腐蚀铝合金典型螺栓单搭接件疲劳寿命研究》文章以螺栓连接结构件为试验考核对象，目的是用于改进连接结构的设计和防护方法，不能反映出所用螺栓自身的疲劳性能。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法。能够重现螺栓实际使用时的装配状态，可以考核螺栓使用时环境腐蚀、装配载荷、装配操作等因素协同作用对螺栓疲劳性能的影响。
本发明是这样实现的：
具体地，本发明提供一种螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其包括以下步骤：
S1、对待测试螺栓进行装配，将螺栓和相应规格的螺母依据相关标准进行装配并安装在金属夹层上，得到螺栓装配模拟样件；
S2、工业污染环境模拟试验，将螺栓装配模拟样件置于工业污染模拟环境中暴露，进行加速腐蚀试验；
S3、螺栓疲劳性能测试，对试验后的螺栓进行疲劳性能测试，获取螺栓在模拟工业污染环境中的疲劳性能指数。
优选地，S2中在腐蚀试验箱中完成工业污染环境模拟试验，模拟试验包括高温高湿试验阶段以及干燥试验阶段。
优选地，所述金属夹层的表面进行阳极氧化以及重铬酸盐封闭处理。
优选地，所述高温高湿试验阶段采用“喷雾-注入SO2气体-恒温静置”循环的方式进行试验，一个循环的周期为3～4h，其中喷雾时间为20～60min，注入SO2气体时间为5～30min，恒温静置时间为100～120min；所述腐蚀试验箱的温度为35℃，喷雾过程的相对湿度为100％，注入SO2气体和恒温静置过程的湿度为90％-100％。
优选地，喷雾过程所用喷雾液为质量分数为(0.01～0.5)％的NaCl溶液，所述溶液的溶剂为去离子水或蒸馏水。
优选地，注入SO2气体过程注入的气体为纯度大于99.8％的干燥洁净SO2气体，气体流量为5～50cm3/min·m3。试验过程中，腐蚀试验箱内收集液的pH值为4.0～4.5。
优选地，所述干燥试验阶段采用升温保温-自然降温循环的方式进行试验，一个循环的周期为3～4h，其中升温保温时间为90～120min，自然降温时间为60～120min。
优选地，升温保温过程的腐蚀试验箱升温速度为0.5～2℃/min，腐蚀试验箱保温温度为50～60℃。
优选地，所述腐蚀试验箱包括试验箱和与所述试验箱相连的控制箱，所述控制箱内部设置有控制器；
所述试验箱包括壳体、喷头支座、至少一个雾化喷头、温湿度调节装置、位于壳体顶部的气体入口以及加热装置，
所述喷头支座位于所述壳体的顶部并与所述控制箱相连，所述喷头支座与所述雾化喷头连接使从控制箱分别流出的压缩空气和具有压力的液体在雾化喷头中混合雾化；
所述温湿度调节装置与所述控制器通讯连接，所述控制器内部设置有湿度阈值以及温度阈值，所述温湿度调节装置根据湿度阈值以及温度阈值对试验箱内部的温湿度进行调节；
所述气体入口用于向所述试验箱内部注入SO2气体，所述加热装置与所述控制器电连接，所述加热装置在所述控制器的控制下对所述试验箱内部进行加热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明综合考虑了螺栓在实际使用时的装配操作、装配载荷、装配结构因素，以及工业污染环境腐蚀对螺栓疲劳性能的影响，有效评估了装配状态螺栓在环境和载荷协同作用下的疲劳性能。该方法能够将螺栓在自然环境中的腐蚀速率提高10～50倍；采用的螺栓装配模拟结构成本低、安装和拆卸简单、使用可靠性高，再现了装配操作对螺栓表面造成的破损加速腐蚀效应，重现了螺栓使用时的受力状态和装配形式；采用的工业污染腐蚀模拟环境具有与自然环境螺栓腐蚀效应一致性；采用的试验评估方法满足规范化、标准化要求，可以快速获取螺栓疲劳性能指数。本发明的方法能够为改进紧固标准件的制造、选用技术提供依据，降低螺栓腐蚀疲劳断裂引发的装备故障风险。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的腐蚀试验箱的结构示意图；
图3为螺栓模拟装配样件设计图；
图4为实施例1中工业污染遮蔽环境试验剖面；
图5为实施例1中试验结束后螺栓A头部的微观形貌图；
图6为江津地区棚下暴露1年后螺栓A头部的微观形貌图；
图7为实施例2中工业污染敞开环境试验剖面；
图8为实施例2中试验结束后螺栓A头部的微观形貌图；
图9为江津地区户外暴露1.5年后螺栓A头部的微观形貌图；
图10为实施例3中工业污染敞开环境试验剖面；
图11为实施例3中试验结束后螺栓B头部的微观形貌图；
图12为江津地区户外暴露1.5年后螺栓B头部的微观形貌图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供一种螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，如图1所示，其包括以下步骤：
S1、对待测试螺栓进行装配，将螺栓和相应规格的螺母依据相关标准进行装配并安装在金属夹层上，得到螺栓装配模拟样件。将螺栓和相应规格的螺母依据标准HB 7454-1997《MJ螺纹合金钢及不锈钢螺栓、螺栓通用规范》、HB 7595-2011《使用温度不高于425℃的MJ螺纹自锁螺母通用规范》和HB/Z 223.2-2003《飞机装配工艺第2部分：螺栓安装》规定的安装要求安装在金属夹层上，模拟螺栓的装配使用状态。夹层厚度根据螺栓的尺寸，按照HB/Z 223.2-2003中的相关规定进行选择。螺母的装配力矩根据螺母的规格和强度等级，选择HB7595-2011中相应螺母扳拧试验规定施加的力矩。
优选地，所述金属夹层的材料为螺栓实际使用中的夹层材料，所述金属夹层为铝合金，所述金属夹层的表面进行阳极氧化以及重铬酸盐封闭处理。
S2、工业污染环境模拟试验，将螺栓装配模拟样件置于工业污染模拟环境中暴露，进行加速腐蚀试验。
优选地，S2中在腐蚀试验箱中完成工业污染环境模拟试验，模拟试验包括高温高湿试验阶段以及干燥试验阶段。
优选地，所述高温高湿试验阶段采用喷雾-注入SO2气体-恒温静置循环的方式进行试验，一个循环的周期为3～6h，其中喷雾时间为20～60min，注入SO2气体时间为5～30min，恒温静置时间为120～360min；所述腐蚀试验箱的温度为35℃，喷雾过程的相对湿度为100％，注入SO2气体和恒温静置过程的湿度为90％-100％。循环试验的次数根据实际需要设定。
优选地，喷雾过程所用喷雾液为质量分数为(0.01～0.5)％的NaCl溶液，其余为去离子水或蒸馏水。
优选地，注入SO2气体过程注入的气体为纯度大于99.8％的干燥洁净SO2气体，气体流量为5～50cm3/min·m3。试验过程中，腐蚀试验箱内收集液的pH值为4.0～4.5。
优选地，所述干燥试验阶段采用升温保温-自然降温循环的方式进行试验，一个循环的周期为3～6h，其中升温保温时间为90～120min，自然降温时间为30～60min。循环试验的次数根据实际需要设定。高温高湿试验阶段的循环周期次数和干燥试验阶段的循环周期次数可以通过控制器进行设置，具体次数可以相同也可以不同。
优选地，升温保温过程的腐蚀试验箱升温速度为0.5～2℃/min，腐蚀试验箱保温温度为50～60℃。
如图2所示，腐蚀试验箱包括包括试验箱1和与试验箱1相连的控制箱2，控制箱2内部设置有控制器3；控制箱2外部设置有操作显示屏21。
试验箱1包括壳体10、喷头支座11、至少一个雾化喷头12、温湿度调节装置13、位于壳体10顶部的气体入口14以及加热装置15，
喷头支座11位于壳体10的顶部并与控制箱2相连，喷头支座11与雾化喷头12连接使从控制箱2分别流出的压缩空气和具有压力的液体在雾化喷头中混合雾化；
温湿度调节装置13与控制器3通讯连接，控制器3内部设置有湿度阈值以及温度阈值，温湿度调节装置13根据湿度阈值以及温度阈值对试验箱内部的温湿度进行调节；
气体入口14用于向所述试验箱内部注入SO2气体，加热装置15与控制器3电连接，加热装置15在控制器3的控制下对试验箱1内部进行加热，满足干燥试验阶段的加热。
S3、螺栓疲劳性能测试，按照GJB 715.30A-2002《紧固件试验方法拉伸疲劳》对螺栓进行疲劳性能测试，并按照HB/Z 112-1986《材料疲劳试验统计分析方法》中的材料中值疲劳寿命测定方法进行疲劳数据分析，获取螺栓在模拟工业污染环境中的疲劳性能指数。
具体实施例
试验所用的材料为合金钢螺栓，其具体材料和表面处理方式见表1。所有试样在试验前均经丙酮清洗除油，酒精脱水，吹干后放入干燥器内待用。
表1试验样件的材料和表面处理方式
编号 产品参照标准 材料 表面处理
螺栓A HB7410-10×50 ML30CrMnSiA 电镀镉、钝化
螺栓B HB7411-10×50 1Cr17Ni2 钝化
螺母C HB8232MJ10×1.25CdD 30CrMnSiA 电镀镉、钝化
夹层材料 HB7226 LY12铝合金 阳极氧化、重铬酸盐封闭
参照标准GB 6464-1997《金属及其覆盖层大气腐蚀试验现场试验的一般要求》在重庆江津试验站进行自然环境暴露试验，试验结束后测试获取螺栓疲劳性能数据，同时收集、整理试验期间江津地区的大气环境数据。工业污染模拟环境腐蚀试验参考江津地区的大气环境参数，结合金属材料腐蚀的显著性环境因子，采用一套腐蚀试验箱进行多环境因素综合式模拟加速腐蚀试验，设计一系列正交试验，并对试验结果进行分析，按目标筛选出合适的试验条件，获得本发明的试验方法。
实施例1
针对合金钢螺栓A进行工业污染遮蔽环境下疲劳性能测试，获取疲劳性能指数即疲劳标杆数据。具体实施步骤为：
1、合金钢螺栓A装配样件的准备：将合金钢螺栓A和螺母C依据HB 7454-1997、HB7595-2011和HB/Z 223.2-2003规定的安装要求安装于铝合金夹层上，螺母的装配力矩为52N·m。每6对螺栓101、螺母为一组，装配在同一个夹层102上(如图3所示)。夹层材料为30mm厚的LY12铝合金板材，机加工后采用硫酸阳极氧化工艺进行表面处理，后进行重铬酸盐封闭处理，参考标准为HB/Z 233-1993，阳极氧化膜厚度为7～10μm。
2、工业污染遮蔽环境模拟腐蚀试验：在腐蚀试验箱中按照“喷雾+注入SO2气体+恒温静置”的程序进行循环试验，每3h循环一次，模拟工业污染遮蔽环境，试验环境剖面如图4所示。其中，喷雾60min，注入SO2气体5min，恒温静置115min。试验箱温度恒定为35℃，喷雾的喷淋溶液为用去离子水配置的0.02％NaCl盐溶液，注入SO2气体的流量为5cm3/min·m3。试验时间为720h。
3、合金钢螺栓A疲劳性能测试：试验结束后，螺母与螺栓保持紧固，夹层材料没有出现明显锈蚀，螺栓的连接结构和受力状态没有被破坏。螺纹部分的暴露端出现明显红锈，合金钢基体腐蚀面积约为20％，螺栓头部和自锁螺母表面镀层变色明显，彩虹纹消失，表面呈现青灰色，但未出现基体腐蚀。按照GJB 715.30A-2002对螺栓进行疲劳性能测试，并按照HB/Z 112-1986中的材料中值疲劳寿命测定方法进行疲劳数据分析，最少观测值个数满足5％误差限度和95％置信度要求。螺栓A的疲劳性能测试结果见表2，断裂位置为螺纹和光杆的连接处，为多源裂纹扩展造成。螺栓A头部的微观腐蚀形貌如图5所示，表面镀层基本完整。
表2实施例1中试验结束后螺栓A的疲劳测试结果
对比例
采用与实施例1相同的合金钢螺栓和螺母装配样件为试验材料，参照GB 6464-1997标准在重庆江津自然环境试验站进行棚下暴露试验，试验时间为2014年～2016年，按照0.5年、1年、1.5年和2年的周期取样。试验结束后，螺母与螺栓保持紧固，夹层材料没有出现明显锈蚀，螺栓的连接结构和受力状态没有被破坏。对试验后的合金钢螺栓按照与实施例1相同的方法进行疲劳性能测试和数据分析处理。螺栓A在江津地区棚下暴露0～2年后的疲劳测试结果见表3。实施例1中的螺栓A中值疲劳寿命、表观腐蚀程度与外场暴露1年的试验件基本一致，断裂位置、断口特征一致。螺栓A在江津地区棚下暴露1年后头部的微观形貌如图6所示，表面镀层完整、致密。实施例1中的螺栓A头部腐蚀状态与外场暴露1年的试验件基本一致。实施例1所述方法对外场试验的加速倍率约为10～15倍。
表3江津地区棚下暴露0～2年后螺栓A的疲劳测试结果
实施例2
针对合金钢螺栓A进行工业污染敞开环境下疲劳性能测试，获取疲劳性能指数。具体实施步骤为：
1、合金钢螺栓A装配样件的准备：将合金钢螺栓A和相应规格的合金钢螺母依据HB7454-1997、HB 7595-2011和HB/Z 223.2-2003规定的安装要求安装于铝合金夹层上，螺母的装配力矩为52N·m。每6对螺栓101、螺母为一组，装配在同一个夹层102上(如图3所示)。夹层材料为30mm厚的LY12铝合金板材，机加工后采用硫酸阳极氧化工艺进行表面处理。

Claims (9)

1.一种螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、对待测试螺栓进行装配，将螺栓和相应规格的螺母依据相关标准进行装配并安装在金属夹层上，得到螺栓装配模拟样件；
S2、工业污染环境模拟试验，将螺栓装配模拟样件置于工业污染模拟环境中暴露，进行加速腐蚀试验；
S3、螺栓疲劳性能测试，对试验后的螺栓进行疲劳性能测试，获取螺栓在模拟工业污染环境中的疲劳性能指数。
2.根据权利要求1所述的螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其特征在于：所述金属夹层的表面进行阳极氧化及重铬酸盐封闭处理。
3.根据权利要求1所述的螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其特征在于：S2中在腐蚀试验箱中完成工业污染环境模拟试验，模拟试验包括高温高湿试验阶段以及干燥试验阶段。
4.根据权利要求3所述的螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其特征在于：所述高温高湿试验阶段采用“喷雾-注入SO2气体-恒温静置”循环的方式进行试验，一个循环的周期为3～4h，其中喷雾时间为20～60min，注入SO2气体时间为5～30min，恒温静置时间为100～120min；所述腐蚀试验箱的温度为35℃，喷雾过程的相对湿度为100％，注入SO2气体和恒温静置过程的湿度为90％-100％。
5.根据权利要求4所述的螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其特征在于：喷雾过程所用喷雾液为质量分数为(0.01～0.5)％的NaCl溶液，溶液的溶剂为去离子水或蒸馏水。
6.根据权利要求4所述的螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其特征在于：注入SO2气体过程注入的气体为纯度大于99.8％的干燥洁净SO2气体，气体流量为5～50cm3/min·m3，试验过程中，腐蚀试验箱内收集液的pH值为4.0～4.5。
7.根据权利要求3所述的螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其特征在于：所述干燥试验阶段采用“升温保温-自然降温”循环的方式进行试验，一个循环的周期为3～4h，其中升温保温时间为90～120min，自然降温时间为30～120min。
8.根据权利要求8所述的螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其特征在于：升温保温过程的腐蚀试验箱升温速度为0.5～2℃/min，腐蚀试验箱保温温度为50～60℃。
9.根据权利要求3所述的螺栓在工业污染环境下的疲劳性能标杆数据获取方法，其特征在于：所述腐蚀试验箱包括试验箱和与所述试验箱相连的控制箱，所述控制箱内部设置有控制器；
所述试验箱包括壳体、喷头支座、至少一个雾化喷头、温湿度调节装置、位于壳体顶部的气体入口以及加热装置，
所述喷头支座位于所述壳体的顶部并与所述控制箱相连，所述喷头支座与所述雾化喷头连接使从控制箱分别流出的压缩空气和具有压力的液体在雾化喷头中混合雾化；
所述温湿度调节装置与所述控制器通讯连接，所述控制器内部设置有湿度阈值以及温度阈值，所述温湿度调节装置根据湿度阈值以及温度阈值对试验箱内部的温湿度进行调节；
所述气体入口用于向所述试验箱内部注入SO2气体，所述加热装置与所述控制器电连接，所述加热装置在所述控制器的控制下对所述试验箱内部进行加热。
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