30CrMnSiA鋼板的疲勞行為帶孔板件常規(guī)疲勞S-N曲線所示為帶ù8.1mm自由中心孔（孔中無(wú)螺栓連接）的30CrMnSiA鋼板件的疲勞循環(huán)最大應(yīng)力壽命曲線，試樣斷裂全部發(fā)生在板孔的最大應(yīng)力集中部位，其疲勞極鈦合金螺栓連接鋼板試樣斷裂形貌限約為200MPa.根據(jù)所示的S-N曲線，選擇300MPa最大循環(huán)載荷下比較TC16鈦合金螺栓連接對(duì)30CrMnSiA鋼板件疲勞行為的影響。結(jié)果表明直徑ù8mm的TC16鈦合金螺栓連接的高強(qiáng)度鋼板結(jié)構(gòu)的疲勞破壞均表現(xiàn)為30CrMnSiA鋼板連接孔處與螺栓接觸磨損區(qū)的斷裂，試樣斷裂的宏觀形貌如所示。裂紋萌生在與外加疲勞載荷成約70b方向，而非自由孔板的90b位置，TC16鈦合金螺栓及其連接30CrMnSiA鋼板孔的疲勞行為（b）所標(biāo)白色點(diǎn)畫(huà)線位置）。
斷裂形態(tài)表明，鈦合金螺栓連接30CrMnSiA鋼板的斷裂是由于螺栓表面與鋼板孔內(nèi)壁之間發(fā)生微動(dòng)磨損作用和外加循環(huán)疲勞載荷協(xié)同作用造成的，即發(fā)生的為微動(dòng)疲勞破壞。比較300MPa外加最大循環(huán)載荷下30CrMnSiA鋼板鈦合金螺栓連接件的微動(dòng)疲勞壽命與帶自由孔件的常規(guī)疲勞壽命表明，前者為25724次，后者為65413次，即微動(dòng)疲勞較常規(guī)疲勞壽命降低約60%，即接觸面上的微動(dòng)作用明顯促進(jìn)鋼板孔內(nèi)表面上疲勞裂紋的萌生和早期擴(kuò)展。
微動(dòng)疲勞板孔微動(dòng)磨損區(qū)損傷特征表明，磨損呈現(xiàn)碾壓、磨粒磨損與疲勞脫層特征。高強(qiáng)度鋼板件的孔壁微動(dòng)接觸區(qū)表面由于磨損作用導(dǎo)致的高應(yīng)變、大變形和局部缺口效應(yīng)，促進(jìn)疲勞裂紋的萌生，而外加疲勞載荷促進(jìn)疲勞裂紋的擴(kuò)展。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到大量的黑色氧化磨屑正是由于鈦合金螺栓與鋼板孔內(nèi)壁接觸部位發(fā)生微動(dòng)磨損所致。
TC16鈦合金螺栓的疲勞行為為了研究鈦合金螺栓在連接結(jié)構(gòu)中的疲勞斷裂失效行為，通過(guò)適當(dāng)減小緊固孔徑而使30CrMnSiA鋼板孔邊距增大的方法，以保證TC16鈦合金螺栓斷裂而不使30CrMnSiA鋼板斷裂。本文所確定的試驗(yàn)條件為：30CrMnSiA鋼板試樣尺寸如所示，螺栓連接孔為ù6.1mm孔；螺栓直徑為ù6mm，與緊固孔為間隙配合；外加最大循環(huán)載荷為170MPa.試驗(yàn)結(jié)果表明，螺栓均在所示的a處斷裂，即與30CrMnSiA鋼板孔連接處的最大彎曲應(yīng)力的位置。根據(jù)給出的鈦合金螺栓在連接結(jié)構(gòu)情況下的受力示意圖，可以看出在不考慮螺栓頭和螺母受夾具約束的情況下，螺栓的受力可以簡(jiǎn)化為3點(diǎn)彎曲加載模式，由于TC16鈦合金螺栓受到交變的單向彎曲疲勞載荷，因而發(fā)生彎曲疲勞破壞。盡管在螺栓與30CrMnSiA鋼板孔或夾具之間的接觸表面上存在微動(dòng)磨損作用，但是由于疲勞載荷的最大張應(yīng)力位置在微動(dòng)接觸區(qū)的背面（如中的a點(diǎn)），或者微動(dòng)區(qū)處在壓應(yīng)力狀態(tài)，因此，螺栓的斷裂并非微動(dòng)疲勞斷裂。這是由于螺栓頭和螺母受到夾具側(cè)面約束的緣故，在施力點(diǎn)的背面也是受彎曲應(yīng)力，即此處也為彎彎疲勞加載。另外，若本文試驗(yàn)條件改為拉壓疲勞，由于微動(dòng)區(qū)處存在交變彎曲張應(yīng)力，則微動(dòng)作用會(huì)促進(jìn)疲勞裂紋的萌生，協(xié)同加速螺栓的疲勞斷裂。
鋼板緊固孔周?chē)膽?yīng)力分布分析對(duì)于帶自由緊固孔的30CrMnSiA鋼板件，緊固孔周?chē)膽?yīng)力分布是不均勻的，如（a）所示。與外加拉伸載荷垂直的孔邊緣處應(yīng)力最大（用Rmax表示），隨著離孔邊沿的距離增大，應(yīng)力急劇降低。對(duì)于鈦合金螺栓連接的30CrMnSiA鋼板緊固孔，借助ANSYS有限元分析軟件對(duì)孔周?chē)膽?yīng)力分布進(jìn)行分析，結(jié)果如（b）所示，即板孔周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)發(fā)生了明顯變化，此時(shí)板孔的應(yīng)力集中更為明顯，應(yīng)力集中區(qū)向板孔被擠壓的方向移動(dòng)，同時(shí)由于該處螺栓與板孔之間發(fā)生最為顯著的微動(dòng)磨損作用，磨損促進(jìn)疲勞裂紋萌生，而摩擦力與外加應(yīng)力疊加促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，因此，該處成為微動(dòng)疲勞的裂紋源，這與試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。