CN107513604B - 提高金属工件拉压疲劳寿命的方法及由该方法制作的工件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高金属工件拉压疲劳寿命的方法及由该方法制作的工件，对金属工件在工作状态下承受拉应力的方向上施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力。当施加于金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除此拉力，以提高金属工件的拉压疲劳特性。通过对金属工件施加超过其屈服强度的拉力，使得金属工件不受外力时，在应力集中部位形成压应力。通过施加拉力还使得金属工件在额定工况下，在应力集中部位形成的应力集中较未受拉力时减弱。本发明能够解决金属工件在产品生命周期内疲劳断裂的技术问题，提高金属工件的拉压疲劳寿命，有效避免出现因工件断裂而造成安全、经济等损失的情况发生，同时还能提前剔除存在潜在质量问题的金属工件。

Description

提高金属工件拉压疲劳寿命的方法及由该方法制作的工件

技术领域

本发明涉及机械制造加工领域，尤其是涉及一种提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，及由该方法制作的工件。

背景技术

作为一种局部应力集中较高的金属工件，紧固件，如：螺栓在拉伸工况下通常容易发生疲劳损坏，从而给其所应用的产品带来安全隐患和经济损失。同时，对于如机车轮对等局部高应力连接工件、焊接工件，以及具有初始缺陷的工件等也非常容易发生疲劳损坏现象。以螺栓为例，螺栓是一种在各个领域都有广泛应用的机械零件，作为一种常用的紧固件，常常用于与螺母配合紧固连接两个带有通孔的零件。众所周知，螺栓的破坏大部分是疲劳破坏，而螺栓又是一种具有多缺口而易于产生应力集中的零件。其中，尤其是在螺栓的头杆结合部和螺纹的根部更是缺口应力高度集中的部位。在具体应用当中，螺栓通常的受力一般是拉伸载荷，工作环境复杂的螺栓还要承受反复动载作用的应力。像螺栓一类应力集中较高的零件，只有改变螺栓缺口的应力情况，才可以影响螺栓的拉压疲劳寿命。

在现有技术中，目前大多数提高螺栓疲劳寿命的方法为：采用在螺栓加工过程中通过控制螺栓生产的工艺，同时选用合适的材料等方法。这些方法虽然对提高螺栓疲劳寿命有一定效果，但是在螺栓生产以后，就无法对螺栓的拉压疲劳寿命进行干预，同时也不利于提前剔除存在潜在质量问题的螺栓。另外，对于高应力连接工件、焊接工件，以及具有初始缺陷的工件等也只能从制造的源头入手，而无法在工件生产后对其拉压疲劳寿命进行干预。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高金属工件拉压疲劳寿命的方法及由该方法制作的工件，能够解决金属工件在产品生命周期内疲劳断裂的技术问题，提高金属工件的拉压疲劳寿命，有效避免出现因工件断裂而造成安全、经济等损失的情况发生。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种提高金属工件拉压疲劳寿命的方法的技术实现方案，一种提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，包括以下步骤：

对金属工件在工作状态下承受拉应力的方向上施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于所述金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高所述金属工件的拉压疲劳特性。

优选的，通过对所述金属工件施加超过其屈服强度的设定拉力，使得所述金属工件不受外力时，在应力集中部位形成压应力。

优选的，通过对所述金属工件施加超过其屈服强度的设定拉力，使得所述金属工件在额定工况下，在应力集中部位形成的应力集中较未受拉力时减弱。

优选的，所述金属工件为紧固工件。

优选的，当所述紧固工件为螺栓时，所述方法包括以下步骤：

在螺栓的长度方向上对所述螺栓施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于所述螺栓的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高所述螺栓的拉压疲劳特性。

优选的，通过拉力机对所述螺栓施加拉力，所述拉力机的夹具一对所述螺栓的螺栓头一端进行夹持，所述拉力机的夹具二对所述螺栓的螺栓体一端进行夹持。

优选的，通过对所述螺栓施加超过其屈服强度的设定拉力，使得所述螺栓不受外力时，在头杆结合部和螺纹根部形成压应力。

优选的，通过对所述螺栓施加超过其屈服强度的设定拉力，使得所述螺栓在额定工况下，在头杆结合部和螺纹根部形成的应力集中较未受拉力时减弱。

优选的，当所述螺栓采用M10×85的8.8级碳钢螺栓时，对所述螺栓进行拉力高于或等于40KN的强拉处理。

优选的，当所述螺栓采用M10×80的A2-70不锈钢螺栓时，对所述螺栓进行拉力高于或等于32KN的强拉处理。

优选的，所述金属工件为具有局部应力集中的连接工件。

优选的，当所述连接工件为车轮时，所述方法包括以下步骤：

在所述车轮的轮轴孔有油膜润滑的情况下，沿所述车轮的径向对所述轮轴孔施加指向车轮外侧，同时超过所述车轮的屈服强度，而低于所述车轮的抗拉强度的设定扩张力，当施加于所述轮轴孔的扩张力达到设定扩张力后再卸除扩张力，以提高所述车轮的拉压疲劳特性。

优选的，所述金属工件为焊接工件。

优选的，当所述金属工件为焊接工件时，所述方法包括以下步骤：

在沿金属工件焊缝的方向上对所述金属工件施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于所述金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高所述金属工件的拉压疲劳特性。

优选的，所述金属工件为具有初始缺陷的工件。

优选的，当所述金属工件为具有初始缺陷的工件时，所述方法包括以下步骤：

在沿垂直于金属工件初始缺陷所在平面的方向上对所述金属工件施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于所述金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高所述金属工件的拉压疲劳特性。

优选的，通过对所述金属工件施加超过其屈服强度的设定拉力，并观察所述金属工件的形变，提前剔除存在潜在质量问题的所述金属工件。

本发明还另外具体提供了一种工件的技术实现方案，一种工件，该工件由上述任一种方法制作。

通过实施上述本发明提供的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法及由该方法制作的工件的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明提高了金属工件的拉压疲劳寿命，可以有效保证在产品生命周期内，金属工件具有无限的疲劳寿命，进而可以有效避免因工件断裂而造成的经济、安全等损失；

(2)本发明由于是在金属工件生产完成后再对其拉压疲劳寿命进行干预，因此经过本发明方法处理后的金属工件寿命始终要高于处理前的金属工件，同时也可以提前剔除存在潜在质量问题的金属工件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。

图1是本发明实施例1中螺栓在强拉处理前的应力分布示意图；

图2是本发明实施例1中螺栓在强拉处理后的应力分布示意图；

图3是本发明实施例1中螺栓未受强拉处理时在额定工况下的应力分布示意图；

图4是本发明实施例1中螺栓受强拉处理后在额定工况下的应力分布示意图；

图5是本发明实施例1中对螺栓进行强拉处理的操作示意图；

图6是本发明实施例5中车轮在强拉处理前的应力分布示意图；

图7是本发明实施例5中车轮在强拉处理后的应力分布示意图；

图8是本发明实施例6中焊接工件在强拉处理前焊缝周围的应力分布示意图；

图9是本发明实施例6中焊接工件在强拉处理后焊缝周围的应力分布示意图；

图10是本发明实施例7中具有初始缺陷的工件在强拉处理前的应力分布示意图；

图11是本发明实施例7中具有初始缺陷的工件在强拉处理后的应力分布示意图；

图中：1-螺栓，2-螺栓头，3-螺栓体，4-夹具一，5-夹具二，6-车轮，7-轮轴孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图11所示，给出了本发明提高金属工件拉压疲劳寿命的方法及由该方法制作的工件的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种提高金属工件拉压疲劳寿命的方法的具体实施例，包括以下步骤：

对金属工件在工作状态下承受拉应力的方向上施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高金属工件的拉压疲劳特性。通过对金属工件施加超过其屈服强度的设定拉力，使得金属工件不受外力时，在应力集中部位形成压应力。同时，通过对金属工件施加超过其屈服强度的设定拉力，使得金属工件在额定工况下，在应力集中部位形成的应力集中较未受拉力时减弱。本发明具体实施例描述的方法通过在金属工件的应力集中部位产生塑性变形，再弹性回复后形成需要的压应力场，从而提高金属工件的拉压疲劳特性。

下面通过实施例1-7对本发明提高金属工件拉压疲劳寿命的方法的具体应用，以及由该方法制作的工件技术方案进行详细说明。

实施例1

一种提高金属工件拉压疲劳寿命的方法具体应用于紧固工件(在此紧固工件以螺栓为例)的实施例，包括以下步骤：

在螺栓1的长度方向(如附图1、2、3和4中L所示方向)上对螺栓1进行强拉处理，即施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于螺栓1的拉力达到预期的设定拉力后再卸除此拉力，以提高螺栓1的拉压疲劳特性。强拉处理的时间为达到预期拉力瞬间即卸除拉力，也可以根据需要在达到预期的拉力后保持一定时间(被称为保持时间)再卸除此拉力。

屈服强度(yield strength)是指材料开始发生明显塑性变形时的最低应力值。是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。

抗拉强度即表征材料最大均匀塑性变形的抗力，指材料在拉断前承受的最大应力值。

通过对螺栓1施加超过其屈服强度的设定拉力，使得螺栓1不受外力时，在头杆结合部(如附图1-4中的A部位)和螺纹根部(如附图1-4中的B部位)形成压应力。通过对螺栓1施加超过其屈服强度的设定拉力，使得螺栓1在额定工况下，在头杆结合部和螺纹根部形成的应力集中较未受拉力时减弱。同时，通过对螺栓1施加超过其屈服强度的设定拉力，并观察螺栓1的形变还可以提前剔除存在潜在质量问题的螺栓1。

上述方法的作用原理为：在对螺栓1进行强拉处理的过程中，在螺栓1的头杆结合部，以及螺纹根部会因为拉应力集中效应发生塑性变形，其具体应力分布情况如附图2中位于螺栓1的头杆结合部和螺纹根部的箭头所示，而如附图1所示为未受拉力时螺栓1的头杆结合部和螺纹根部的应力分布示意图。从附图1和附图2中的对比可以看出，在进行强拉处理后，在不受外力的条件下时，螺栓1的头杆结合部和螺纹根部等地方会存在压应力。则螺栓1在正常工作(额定工况)时，其头杆结合部和螺纹根部等部位的应力集中情况较未受强拉处理之要大大减弱，因此螺栓1的拉压疲劳寿命大大提高。如附图3所示，为螺栓1未受拉力时在额定工况下头杆结合部和螺纹根部的应力分布示意图，如附图4所示，为螺栓1经过强拉处理后在额定工况下头杆结合部和螺纹根部的应力分布示意图。

作为本发明一种典型的具体实施例，如附图5所示，通过拉力机(又被称为拉力试验机)对螺栓1施加拉力，拉力机的夹具一4对螺栓1的螺栓头2一端进行夹持，拉力机的夹具二5对螺栓1的螺栓体3一端进行夹持，拉力施加方向如附图5中F所示。拉力机从零开始对螺栓1施加拉力，当施加于螺栓1的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，从而完成对螺栓1的强拉处理。拉力机施加的拉力可以通过拉力机控制系统的计算机程序预先设定，也可以通过仪表或计算机显示获得。

上述本发明具体实施例描述的技术方案通过拉力机对螺栓1施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，然后松弛，可以非常明显地改善螺栓1的缺口应力集中情况，显著提高螺栓1的拉压疲劳寿命，有效解决螺栓在产品生命周期内疲劳断裂的问题，在产品寿命周期内能够保证紧固件的无限拉压疲劳寿命，从而避免出现因螺栓断裂而造成经济、安全等损失的情况发生。同时，因为本发明具体实施例是在螺栓生产以后，再对螺栓进行处理来提高螺栓的拉压疲劳寿命，这样经过本发明方法处理后的螺栓寿命始终要高于出厂时的螺栓，同时也可提前剔除存在潜在质量问题的螺栓。

实施例2

一种采用实施例1所述方法制作的螺栓1，螺栓1包括螺栓体3，以及设置于螺栓体3其中一端的螺栓头2。

实施例3

对于螺栓1选用M10×85的8.8级碳钢螺栓，M10×85的8.8级碳钢螺栓屈服强度为37.1KN，抗拉强度为46.4KN。通过拉力机对螺栓1施加40KN的拉力，在拉力机施加的拉力达到预期的拉力(即40KN的拉力)瞬间即卸除拉力。在经过40KN的强拉处理后，在5.5KN的预紧力，±5.5KN的交变负载工况下，相对于不做处理的螺栓1，经过强拉处理后的螺栓1的拉压疲劳寿命得到了12倍的提升。

实施例4

对于螺栓1选用M10×80的A2-70不锈钢螺栓，M10×80的A2-70不锈钢螺栓屈服强度为26.1KN，抗拉强度为40.6KN。通过拉力机对螺栓1施加32KN的拉力，在拉力机施加的拉力达到预期的拉力(即32KN的拉力)瞬间即卸除拉力。在进行32KN的强拉处理后，在13.5KN的预紧力，±5.4KN的交变负载工况下，相对于不做处理的螺栓1，经过强拉处理后的螺栓1的拉压疲劳寿命得到了46倍的提升。

从以上实施例3和实施例4的数据可以看出，经过本发明方法处理后的螺栓拉压疲劳寿命呈现出了数十倍以上的显著提升，取得了之前难以预料到的技术效果。

实施例5

本发明提高金属工件拉压疲劳寿命的方法具体应用于局部应力集中的连接工件的实施例。机车的车轮6是一种常见的局部应力集中的连接工件，由于车轮6的轮轴孔7与轮轴之间为过盈配合，因此，在车轮6与轮轴的结合区附近存在较大的拉应力，在拉应力的作用下极易发展成裂纹，如附图6所示为车轮6在强拉处理前的应力分布示意图。在车轮6的轮轴孔7有油膜润滑的情况下，沿车轮6的径向对轮轴孔7施加指向车轮6外侧(如附图7中F所示方向)，同时超过车轮6的屈服强度，而低于车轮6的抗拉强度的设定扩张力，当施加于轮轴孔7的扩张力达到设定扩张力后再卸除扩张力，以提高车轮6的拉压疲劳特性。如附图7所示为车轮6在经过强拉处理后的应力分布示意图，可以看出，经过强拉处理后，车轮6在轮轴结合区附近的拉应力大大降低，同时车轮6的拉应力分布较为均匀，车轮6的疲劳寿命大大提高，还在一定程度上降低了车轮6的重量。

实施例6

本发明提高金属工件拉压疲劳寿命的方法具体应用于焊接工件的实施例。如附图8所示为焊接工件在强拉处理前焊缝周围的应力分布示意图，其中，如附图8中C所示为金属工件的焊缝，也即两个金属工件的交接处。此时，在沿金属工件焊缝的方向(如附图9中F所示方向)上对金属工件施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高金属工件的拉压疲劳特性。如附图9所示为焊接工件在强拉处理后焊缝周围的应力分布示意图，可以看出，经过强拉处理后，在金属工件焊缝周围的拉应力大大降低，焊接工件的疲劳寿命大大提高。

实施例7

本发明提高金属工件拉压疲劳寿命的方法具体应用于具有初始缺陷工件的实施例。焊接工件因为没有焊透而在焊缝处出现缺口，以及在大型铸造工件中出现缺陷而产生裂纹通常是无法避免的。如附图10所示为具有初始缺陷的金属工件在强拉处理前的应力分布示意图，其中，如附图10中D所示为金属工件的初始缺陷处。对于焊接工件来说，D通常为出现在焊缝处的缺口，而对于铸造工件来说，D通常为裂纹。此时，在沿垂直于金属工件初始缺陷所在平面的方向(如附图11中F所示方向)上对金属工件施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高金属工件的拉压疲劳特性。如附图11所示为具有初始缺陷的工件在强拉处理后的应力分布示意图，可以看出，经过强拉处理后，在金属工件初始缺陷附近的拉应力大大降低，具有初始缺陷工件的疲劳寿命大大提高。

通过实施本发明具体实施例描述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法及由该方法制作的工件的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法及由该方法制作的工件提高了工件的拉压疲劳寿命，可以有效保证在产品生命周期内，工件具有无限的疲劳寿命，进而可以有效避免因工件断裂而造成的经济、安全等损失；

(2)本发明具体实施例描述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法及由该方法制作的工件由于是在工件生产完成后再对其拉压疲劳寿命进行干预，因此经过本发明方法处理后的工件寿命始终要高于处理前的工件，同时也可以提前剔除存在潜在质量问题的工件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (17)

1.一种提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：

对金属工件在工作状态下承受拉应力的方向上施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于所述金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高所述金属工件的拉压疲劳特性；通过对所述金属工件施加超过其屈服强度的设定拉力，使得所述金属工件不受外力时，在应力集中部位形成压应力。

2.根据权利要求1所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：通过对所述金属工件施加超过其屈服强度的设定拉力，使得所述金属工件在额定工况下，在应力集中部位形成的应力集中较未受拉力时减弱。

3.根据权利要求1或2所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：所述金属工件为紧固工件。

4.根据权利要求3所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于，当所述紧固工件为螺栓(1)时，所述方法包括以下步骤：

在螺栓(1)的长度方向上对所述螺栓(1)施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于所述螺栓(1)的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高所述螺栓(1)的拉压疲劳特性。

5.根据权利要求4所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：通过拉力机对所述螺栓(1)施加拉力，所述拉力机的夹具一(4)对所述螺栓(1)的螺栓头(2)一端进行夹持，所述拉力机的夹具二(5)对所述螺栓(1)的螺栓体(3)一端进行夹持。

6.根据权利要求4或5所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：通过对所述螺栓(1)施加超过其屈服强度的设定拉力，使得所述螺栓(1)不受外力时，在头杆结合部和螺纹根部形成压应力。

7.根据权利要求6所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：通过对所述螺栓(1)施加超过其屈服强度的设定拉力，使得所述螺栓(1)在额定工况下，在头杆结合部和螺纹根部形成的应力集中较未受拉力时减弱。

8.根据权利要求7所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：当所述螺栓(1)采用M10×85的8.8级碳钢螺栓时，对所述螺栓(1)进行拉力高于或等于40KN的强拉处理。

9.根据权利要求7所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：当所述螺栓(1)采用M10×80的A2-70不锈钢螺栓时，对所述螺栓(1)进行拉力高于或等于32KN的强拉处理。

10.根据权利要求1或2所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：所述金属工件为具有局部应力集中的连接工件。

11.根据权利要求10所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：当所述连接工件为车轮(6)时，所述方法包括以下步骤：

在所述车轮(6)的轮轴孔(7)有油膜润滑的情况下，沿所述车轮(6)的径向对所述轮轴孔(7)施加指向车轮(6)外侧，同时超过所述车轮(6)的屈服强度，而低于所述车轮(6)的抗拉强度的设定扩张力，当施加于所述轮轴孔(7)的扩张力达到设定扩张力后再卸除扩张力，以提高所述车轮(6)的拉压疲劳特性。

12.根据权利要求1或2所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：所述金属工件为焊接工件。

13.根据权利要求12所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在沿金属工件焊缝的方向上对所述金属工件施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于所述金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高所述金属工件的拉压疲劳特性。

14.根据权利要求1或2所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：所述金属工件为具有初始缺陷的工件。

15.根据权利要求14所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在沿垂直于金属工件初始缺陷所在平面的方向上对所述金属工件施加超过其屈服强度，而低于其抗拉强度的设定拉力，当施加于所述金属工件的拉力达到设定拉力后再卸除拉力，以提高所述金属工件的拉压疲劳特性。

16.根据权利要求1、2、4、5、7、8、9、11、13或15任一项所述的提高金属工件拉压疲劳寿命的方法，其特征在于：通过对所述金属工件施加超过其屈服强度的设定拉力，并观察所述金属工件的形变，提前剔除存在潜在质量问题的所述金属工件。

17.一种工件，其特征在于：所述工件根据权利要求1-16任一项所述的方法制作。