1.1引言

螺栓是机械结构中应用非常广泛的联接件之一， 在动载荷作用下的螺纹连接件，常常会出现疲劳破坏。由于螺栓在疲劳断裂前，不产生明显的塑性变形，而是突然发生断裂。与其它类型的破坏相比造成，后果更加的严重。因此在工程实际中， 因螺栓的疲劳断裂造成巨大经济损失以及人员伤亡的事件屡见不鲜， 例如，1998年，一辆从慕尼黑开往汉堡的德国城际特快列车(ICE)的双毂钢轮发生疲劳断裂，造成101人死亡，88人重伤。因此， 有关螺栓疲劳寿命方面的研究也应运而生。提高螺纹连接件在动载荷作用下的抗疲劳性能，延长其疲劳寿命，显得非常迫切。到目前为止，国内外在这方面也有了一些研究，并且，结合实际提出了一些非常有效的方法，如在材料上，结构上和加工工艺上等。在采用上述方法之后，螺栓的抗疲劳性能有了很大的提高。然而，在有些场合下采用上述方法之后，螺栓的抗疲劳性能并没有得到很好的改善，有时还不能满足疲劳性能的要求。所以，本课题的主要任务是，在前人研究的基础上，通过进一步研究螺栓喷丸强化技术改善螺栓抗疲劳性能的方法，使其更好的满足生产和生活。

1.2螺栓抗疲劳寿命的研究

国内外螺栓疲劳寿命的研究主要集中在螺栓所受应力，工作环境，材料和螺栓外形等因素对螺栓疲劳寿命的影响^[1]。

1.2.1疲劳机理的研究

材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的，特别是在焊缝处。这些微裂纹在交变应力作用下扩展和聚合，形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。疲劳破坏的微观过程是个极其复杂的过程，在宏观上一般来说可分为三个阶段：裂纹的萌生、裂纹的稳定扩展及裂纹的失稳扩展^[2]。

（1）疲劳裂纹萌生机理：

金属材料如果含有缺陷，夹杂物，切口或者其它应力集中源，疲劳裂纹就可能起源于这些地方。通常将疲劳裂纹的萌生过程称为疲劳裂纹成核。如果金属材料没有上述各种应力集中源，则裂纹成核往往在构件表面。因为构件表面应力水平一般比较高，且难免有加工痕迹影响；同时表面区域处于平面应力状态，有利于塑性滑移的进行。构件在循环载荷作用下经过一定次数应力循环之后，先在部分晶粒的局部出现短而细的滑移线，并呈现相继错动的滑移台阶，又由于往复滑移在表面上形成缺口或突起而产生应力集中。随着循环次数增加，在原滑移线时近又会出现新滑移线逐渐形成较宽的滑移带，进一步增加应力循环次数，滑移带尺寸及数量均明显增加，疲劳裂纹就在这此滑移量大的滑移中产生。这些滑移带称为驻留滑移带，标志裂纹在表面形成。在大量滑移带中，由于原滑移所引起在表面有挤出和侵入槽的出现。从而在表面下留下相应的空洞成为裂纹源。随着循环次数提高和应力集中的加剧，会使空洞扩连形成新的较大空洞。

（2）疲劳裂纹扩展机理：

疲劳裂纹在表面处成核，是由最大剪应力控制的，这些微裂纹在最大剪应力方向上。在单轴加载条件下，微裂纹与加载方向大致呈45度方向。在循环载荷的继续作用下，这些微裂纹进一步扩展或互相连接。其中大多数微裂纹很快就停止扩展，只有少数几条微裂纹能达到几十微米的长度。此后逐渐偏离原来的方向，形成一条主裂纹而趋向于转变到垂直于加载方向的平面(最大拉应力面)内扩展。裂纹由滑移面向最大拉应力面的转变称为裂纹从第一阶段扩展向第二阶段扩展的转变。随着循环拉应力的增大，裂尖材料由于高度的应力集中而发生塑性屈服，材料沿最大剪应力方向产生塑性滑移。循环拉应力进一步增大，滑移区扩大使裂尖钝化而呈半圆形，此时裂纹尖端己向前移动。此后进入卸载循环。在循环加载时，由于滑移，在裂尖形成一个塑性区，塑性区外的材料只有弹性变形。卸载后弹性变形要恢复，而裂尖已发生塑性变形的材料却不能协调地收缩，故形成了压缩应力作用在塑性区上。在裂尖处这种压应力值可以很大，甚至能够超过屈服极限而使裂尖材料发生反向塑性变形，滑移反向，裂纹上下表面间距离缩小。但是，加载时裂尖塑性钝化形成的新的裂纹面却不能消失，它将在压应力的作用下屈曲失稳，而在裂尖形成双凹槽形。最后在循环最大压应力作用下又形成了一个裂纹尖，但长度已经增加了。下一个循环开始，裂纹又张开钝化扩展锐化，重复上述过程。这样断口裂纹面上就留下了一条痕迹，即为疲劳条纹。