专利名称：多功能垫片及利用其提高紧固件疲劳性能的方法
技术领域：
本发明属于垫片技术领域，特别涉及一种多功能垫片及利用其提高紧固 件疲劳性能的方法。
背景技术：
开孔构件因疲劳破坏而造成巨大的经济损失，构件的疲劳破坏通常发生 在应力集中的部位。紧固件连接孔边往往产生严重的应力集中，是重要的疲 劳源。因此，采取适当措施，消除或降低孔边的应力集中是提高构件疲劳寿 命的有效途径之一。
一般工程中常用的降低孔边应力集中的措施或方法有 一 、选择新型材料或对其材料加工处理 一方面可以选用高强度材料来抵抗应力集中作用，防止材料在应力集中 部位产生各种破坏；另一方面，可以选用对应力集中不敏感的材料加工制造 成结构件来降低应力集中；此外，还可以对当前的材料进行渗碳、渗氮、表 面热处理或者喷丸等表面处理方法来提高材料的表面强度、改进其使用性 能。
二、优化结构设计
将孔的位置选在受力小、外形平直的低应力区；尽量将孔的形状设计成 圆形或者椭圆形；改良加工工艺，使受拉构件切断较少；对于薄板可以采用 通过将孔周边巻边的方法提高强度；带圆孔的板件承受拉伸载荷时，可以在 圆孔的前后方各钻一个新的小孔使力流线变得比较光滑，从而降低局部应力；也可以采用降低圆孔周围部分厚度的方法，使力流线变得光滑缓和，减
缓局部应力。 三、采用补强设计方法
在孔的边缘悍接一个加强圆环，从而降低小孔周围的应力集中。并且提 高加强环刚度时有利于降低孔边的应力集中。
这些降低应力集中的方法在构件设计中有着不同程度的应用，有些能起 到一定的效果，但是都存在着一些不足之处。首先，新型材料的研制、生产、 应用是个长期的过程。其次，结构设计的优化往往受到结构件实际应用需要 的限制。再次，采用补强设计方法焊接工艺复杂，焊接后产生的残余应力和 残余变形很可能影响到构件的使用性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种提高紧固件疲 劳性能的多功能垫片及利用其提高紧固件疲劳性能的方法，具有实用性强、 使用简单，能有效的降低孔周边应力集中的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是 一种多功能垫片，由抗
变层l、过渡层2和粘合层3组成，在抗变层1与粘合层3之间设置有过渡 层2。
所述的抗变层1采用高强度、高刚度材料，所述的高强度、高刚度材料 包括结构钢、镍合金、钨合金、碳化钛或非晶材料，抗变层1的厚度为紧 固件厚度的0.3 0.6倍。
所述的过渡层2采用软金属材料，所述的软金属包括铜、铝、银、铜
合金、银合金或铝合金，过渡层2的厚度为0.01 0.5毫米。所述的粘合层3采用与构件的接触性能良好的材料，所述的与构件的接 触性能良好的材料包括镍,、低碳钢或铝合金，所述的粘合层3的厚度为5
300微米，优选10 50微米；采用电铸镀或化学镀或喷涂的方法附在过渡层 2表面上。
利用功能垫片提高紧固件疲劳性能的方法，包括如下歩骤 首先，功能垫片的抗变层l材料采用高强度、高刚度材料，功能垫片内 径与紧固件孔的直径比为1.05 1.2: 1，功能垫片的外径与紧固件孔的直径 比为2 4: 1，功能垫片的厚度与紧固件的厚度比为0.3 0.6: 1，所述的 高强度、高刚度材料包括结构钢、镍合金、钨合金、碳化钛或非晶材料；
其次，对上歩中功能垫片的抗变层l进行打磨平整，去除抗变层l外表
面上的毛剌、氧化物；
再次，将软金属镀或喷涂或沉积在抗变层1与紧固件接触的外表面上，
形成功能垫片的过渡层2，软金属厚度为0.01 0.5毫米，所述的软金属包 括铜、铝、银、铜合金、银合金或铝合金；
第四，在第三步的过渡层2的外表面再镀或沉积或喷涂一层金属材料作 为粘合层3，金属材料与紧词件表面的摩擦系数为0.3 1.0，其厚度为5 300微米，优选10 50微米，所述的金属材料包括镍、低碳钢或铝合金；
第五，将紧固件表面清理干净；
第六，将功能垫片放置在紧固件上，其粘合层3与紧固件相接触，用螺 栓将功能垫片与紧固件连接紧固，或者根据需要采用SY-46或88号胶结剂， 施加的紧固力矩与孔径大小相关，紧固力矩单位为牛，米，数值上为孔径直 径的1 4倍。本发明具有的优点如下
1) 本发明依靠螺栓的预紧力或采用胶粘剂如SY-46或88号使垫片与构 件表面牢固结合。采用双面布置或者单面布置。它与传统降低孔边应力集中 的方法相比，不需要改变结构、重新设计、更换新型材料或对表面进行复杂 加工处理；同焊接技术相比这种方法更为简捷，不会给紧固件母体带来额外
的损伤，应用范围广泛且适用性更强。
2) 基于本发明的一种提高紧固件疲劳性能的功能垫片方法，能有效降
低紧固件孔边的应力集中，延缓孔边裂纹的产生及扩展，提高构件的使用寿 命。此外，本发明还可推广到一切可能因应力集中效应而失效的各种构件， 提高可靠性，延长实际使用寿命，且可降低维护费用。
附图为本发明功能垫片的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见附图， 一种多功能垫片，由抗变层l、过渡层2和粘合层3组成， 在抗变层1与粘合层3之间设置有过渡层2。
所述的抗变层1采用高强度和高刚度材料，所述的高强度和高刚度材料
包括结构钢、镍合金、钨合金、碳化钛或非晶材料，抗变层1的厚度为紧
固件厚度的0.3 0.6倍。
所述的过渡层2采用软金属材料，所述的软金属包括铜、铝、银、铜
合金、银合金或铝合金，过渡层2的厚度为0.01 0.5毫米，采用电沉积或 电铸镀或化学镀或喷涂的方法附在抗变层1表面上。所述的粘合层3采用与构件的接触性能良好的材料，所述的与构件的接 触性能良好的材料包括镍、低碳钢或铝合金，所述的粘合层3的厚度为5
300微米，优选10 50微米；采用电沉积或电铸镀或化学镀或喷涂的方法附 在过渡层2表面上。 实施例一
一种多功能垫片，由抗变层l、过渡层2和粘合层3组成，在抗变层l 与粘合层3之间设置有过渡层2;所述的抗变层1采用30CrMnSiA钢，抗变 层1的厚度为紧固件厚度的0. 3倍；所述的过渡层2采用软金属铜，过渡层 2的厚度为0. 01毫米；所述的粘合层3采用与构件的接触性能良好的镍，所 述的粘合层3的厚度为10微米；采用电铸镀的方法附在过渡层2表面上。
利用功能垫片提高紧固件疲劳性能的方法，包括如下步骤 首先，功能垫片的抗变层1材料采用30CrMnSiA钢，弹性模量E为 207GPa，泊松比为0.29;功能垫片内径为8. 4毫米，功能垫片的外径为16 毫米，功能垫片的厚度为1.5毫米，紧固件采用LC4铝板，厚度为5毫米， 孔直径为8毫米；
其次，用砂纸对上步中功能垫片的抗变层1进行打磨平整，去除抗变层 l外表面上的毛剌、氧化物；
再次，采用电铸镀法，将软金属铜镀在抗变层1与紧固件接触的外表面 上，形成功能垫片的过渡层2，软金属铜的厚度为0.01毫米；
第四，采用电铸镀法，在第三步的金属铜的外表面再镀一层镍作为粘合 层3，镍与紧固件表面的摩擦系数为0.3，其厚度为10微米；
第五，将紧固件表面清理干净；第六，将功能垫片放置在紧固件上，其粘合层3与紧固件相接触，用螺栓将功能垫片与紧固件连接紧固，施加的紧固力矩为5牛 米。
实验结果表明，沿试件长度方向加载50 MPa的拉应力，在没有垫片情况下，构件孔边的最大等效应力为144 MPa，沿加载方向的最大应力为160MPa;安装了功能垫片后，构件孔边的最大等效应力为140MPa，沿加载方向的最大应力为152MPa，最大等效应力相对降低百分比为2.8%，沿加载方向的最大应力相对降低百分比为5. 0%。
在Amsler HFP-422高频疲劳实验机上对试件进行等幅疲劳实验，最大载荷为100 MPa，最小载荷为20MPa，结果发现没有垫片情况下的构件的平均寿命为65949次，有垫片情况下的构件的平均寿命为140800次，安装垫片后，构件的平均寿命提高了约2.1倍。
实施例二
一种多功能垫片，由抗变层l、过渡层2和粘合层3组成，在抗变层l与粘合层3之间设置有过渡层2;所述的抗变层1采用镍合金FGH95，抗变层1的厚度为紧固件厚度的0. 4倍；所述的过渡层2采用软金属铝，过渡层2的厚度为0. 09毫米;所述的粘合层3采用与构件的接触性能良好的低碳钢，所述的粘合层3的厚度为20微米；采用电铸镀的方法附在过渡层2表面上。
利用功能垫片提高紧固件疲劳性能的方法，包括如下步骤
首先，功能垫片的抗变层1材料镍合金FGH95，弹性模量E为243GPa，泊松比为0.29;垫片的外径为20毫米，内径为8.4毫米，厚度为1.5毫米，紧固件采用6061铝板，厚度为5毫米，孔直径为8毫米；
其次，用砂纸对上步中功能垫片的抗变层1进行打磨平整，去除抗变层l外表面上的毛剌、氧化物；
再次，采用电铸镀法，将软金属铝镀在抗变层1与紧固件接触的外表面上，形成功能垫片的过渡层2，软金属铝厚度为0.05毫米；
第四，采用磁控溅射的方法，在第三步的金属铝的外表面再镀一层低碳钢作为粘合层3，低碳钢与紧固件表面的摩擦系数为0. 5，其厚度为20微米;
第五，紧固件表面清理干净；
第六，将功能垫片放置在紧固件上，其粘合层3与紧固件相接触，用螺栓将功能垫片与紧固件连接紧固，施加的紧固力矩为7. 5牛 米。
实验结果表明，沿试件长度方向加载50 MPa的拉应力，在没有垫片情况下，构件孔边的最大等效应力为144 MPa，沿加载方向的最大应力为160MPa;安装了功能垫片后，构件孔边的最大等效应力为132MPa，沿加载方向的最大应力为141 MPa，最大等效应力相对降低百分比为8.3%，沿加载方向的最大应力相对降低百分比为11.9%。
在Amsler HFP-422高频疲劳实验机上对试件进行等幅疲劳实验(最大载荷lOOMPa，最小载荷20MPa)，结果发现没有垫片情况下的构件的平均寿命为65949次，有垫片情况下的构件的平均寿命为474832次，安装垫片后，构件的平均寿命提高了约7. 2倍。
实施例三
一种多功能垫片，由抗变层1、过渡层2和粘合层3组成，在抗变层1与粘合层3之间设置有过渡层2;所述的抗变层1采用钨钢KC850，抗变层1的厚度为紧固件厚度的0.5倍；所述的过渡层2采用软金属材料银，过渡层2的厚度为0. 1毫米；所述的粘合层3采用与构件的接触性能良好的低碳钢，所述的粘合层3的厚度为30微米；采用电铸镀的方法附在过渡层2表面上。
利用功能垫片提高紧固件疲劳性能的方法，包括如下步骤
首先，功能垫片的抗变层1材料采用钨钢KC850的垫片，弹性模量E为212GPa，泊松比为0.28;垫片的外径为20毫米，内径为8. 4毫米，厚度为2.0毫米，紧固件采用6061铝板，厚度为5毫米，孔直径为8毫米；
其次，用砂纸对上步中功能垫片的抗变层1进行打磨平整，去除抗变层1外表面上的毛剌、氧化物；
再次，采用电铸镀法，将软金属银镀在抗变层1与紧固件接触外表面上，形成功能垫片的过渡层2，软金属银厚度为0. 1毫米；
第四，采用磁控溅射的方法，在第三步的金属银的外表面再镀一层低碳钢作为粘合层3，低碳钢与紧固件表面的摩擦系数为0. 5，其厚度为30微米;
第五，紧固件表面清理干净；
第六，将功能垫片放置在紧固件上，其粘合层3与紧固件相接触，用88号胶结剂将功能垫片与紧固件连接紧固，施加的紧固力矩为10牛 米。
实验结果表明，沿试件长度方向加载50 MPa的拉应力，在没有垫片情况下，构件孔边的最大等效应力为144 MPa，沿加载方向的最大应力为160MPa;安装了功能垫片后，构件孔边的最大等效应力为129MPa，沿加载方向的最大应力为130 MPa，最大等效应力相对降低百分比为10.4%,沿加载方向的最大应力相对降低百分比为18. 7%。
在Amsler HFP-422高频疲劳实验机上对试件进行等幅疲劳实验(最大载荷lOOMPa，最小载荷20MPa)，结果发现没有垫片情况下的构件的平均寿命为65949次，有垫片情况下的构件的平均寿命为732290次，安装垫片后，构件的平均寿命提高了约11倍。实施例四
一种多功能垫片，由抗变层l、过渡层2和粘合层3组成，在抗变层l
与粘合层3之间设置有过渡层2;所述的抗变层1采用碳化钛，抗变层1的
厚度为紧固件厚度的0.5倍；所述的过渡层2采用软金属材料铜合金，过渡层2的厚度为0. 3毫米；所述的粘合层3采用与构件的接触性能良好的铝合金，所述的粘合层3的厚度为30微米；采用电铸镀的方法附在过渡层2表
面上。 .
利用功能垫片提高紧固件疲劳性能的方法，包括如下步骤
首先，功能垫片的抗变层1材料采用碳化钛TiC垫片，弹性模量E为467GPa，泊松比为0.29;垫片的外径为24毫米，内径为8.4毫米，厚度为2.0毫米；紧固件采用6061铝板，厚度为5毫米，孔直径为8毫米；
其次，用砂纸对上步中功能垫片的抗变层1进行打磨平整，去除抗变层l外表面上的毛剌、杂质；
再次，采用喷涂法，将软金属青铜喷涂在抗变层1与紧固件接触外表面上，形成功能垫片的过渡层2，软金属铜合金厚度为0. 15毫米；
第四，采用电铸镀法，在第三步的软金属铜合金的外表面再镀一层铝合金作为粘合层3，铝合金与紧固件表面的摩擦系数为1. 0，其厚度为30微米;
第五，紧固件表面清理干净；
第六，将功能垫片放置在紧固件上，其粘合层3与紧固件相接触，用SY-46胶结剂将功能垫片与紧固件连接紧固，施加的紧固力矩为12. 5牛咪。实验结果表明，沿试件长度方向加载50 MPa的拉应力，在没有垫片情况下，构件孔边的最大等效应力为144 MPa，沿加载方向的最大应力为160MPa;安装了功能垫片后，，构件孔边的最大等效应力为123MPa，沿加载方向的最大应力为127 MPa，最大等效应力相对降低百分比为14.4%，沿加载方向的最大应力相对降低百分比为20. 5%。
在Amsler HFP-422高频疲劳实验机上对试件进行等幅疲劳实验(最大载荷lOOMPa，最小载荷20MPa)，结果发现没有垫片情况下的构件的平均寿命为65949次，有垫片并涂SY-46胶结剂情15. 8倍。实施例五
一种多功能垫片，由抗变层l、过渡层2和粘合层3组成，在抗变层l与粘合层3之间设置有过渡层2;所述的抗变层1采用非晶Fe62B20Sil4Nb4，抗变层1的厚度为紧固件厚度的0. 5倍;所述的过渡层2采用软金属银合金，过渡层2的厚度为0. 15毫米；所述的粘合层3采用与构件的接触性能良好的铝合金，所述的粘合层3的厚度为40微米；采用喷涂的方法附在过渡层2表面上。
利用功能垫片提高紧固件疲劳性能的方法，包括如下步骤
首先，功能垫片的抗变层l材料采用非晶Fe62B20Sil4Nb4垫片，弹性模量E为250GPa，泊松比为0. 29;垫片的外径为28毫米，内径为8. 4毫米，厚度为2. 5毫米；紧固件采用6061铝板，厚度为5毫米，孔直径为8毫米；
其次，用砂纸对上步中功能垫片的抗变层1进行打磨平整，去除抗变层l'外表面上的毛刺、氧化物；
再次，采用喷涂法，将软金属铜铝合金喷涂在抗变层1与紧固件接触外表面上，形成功能垫片的过渡层2，软金属银合金厚度为O. 15毫米；第四，采用电铸镀法，在第三步的软金属银合金的外表面再镀一层铝合金作为粘合层3，铝合金与紧固件表面的摩擦系数为1. 0，其厚度为40微米;第五，紧固件表面清理干净；
第六，将功能垫片放置在紧固件上，其粘合层3与紧固件相接触，用螺栓将功能垫片与紧固件连接紧固，施加的紧固力矩为15牛 米。
实验结果表明，沿试件长度方向加载50 MPa的拉应力，在没有垫片情况下，构件孔边的最大等效应力为144 MPa，沿加载方向的最大应力为160MPa;安装了功能垫片后，构件孔边的最大等效应力为117MPa，沿加载方向的最大应力为121 MPa，最大等效应力相对降低百分比为18.7%，沿加载方向的最大应力相对降低百分比为24. 4%。
在Amsler HFP-422高频疲劳实验机上对试件进行等幅疲劳实验(最大载荷100MPa，最小载荷20MPa)，结果发现没有垫片情况下的构件的平均寿命为65949次，有垫片并涂SY-46胶结剂情况下的构件平均寿命为1800408次，安装垫片后，构件的平均寿命提高了27.3倍。
实施例六
一种多功能垫片，由抗变层l、过渡层2和粘合层3组成，在抗变层l与粘合层3之间设置有过渡层2;所述的抗变层1采用高强度、高刚度的12CrNi3A钢，抗变层1的厚度为紧固件厚度的0. 6倍；所述的过渡层2采用软金属铝合金，过渡层2的厚度为0. 2毫米；所述的粘合层3采用与构件的接触性能良好的铝合金，所述的粘合层3的厚度优选50微米；采用电铸镀方法附在过渡层2表面上。
利用功能垫片提高紧固件疲劳性能的方法，包括如下步骤首先，功能垫片的抗变层1材料采用12CrNi3A钢的垫片，弹性模量E为212GPa，泊松比为0.29;垫片的外径为32毫米，内径为8.4毫米，厚度为3.0毫米；紧固件采用6061铝板，厚度为5毫米，孔直径为8毫米；
其次，用砂纸对上步中功能垫片的抗变层1进行打磨平整，去除抗变层l外表面上的毛刺、氧化物；
再次，采用喷涂法，将软金属银镁合金喷涂在抗变层l与紧固件接触外表面上，形成功能垫片的过渡层2，软金属银镁合金的厚度为0. 2毫米；
第四，采用电铸镀法，在第三步的软金属银镁合金的外表面再镀一层铝合金作为粘合层3,铝合金与紧固件表面的摩擦系数为1. 0，其厚度为50微米；
第五，紧固件表面清理干净；
第六，将功能垫片放置在紧固件上，其粘合层3与紧固件相接触，用螺栓将功能垫片与紧固件连接紧固，施加的紧固力矩为15牛 米。
实验结果表明，沿试件长度方向加载50 MPa的拉应力，在没有垫片情况下，构件孔边的最大等效应力为144 MPa，沿加载方向的最大应力为160MPa;安装了功能垫片后，构件孔边的最大等效应力为lllMPa，沿加载方向的最大应力为114 MPa，最大等效应力相对降低百分比为22.9%，沿加载方向的最大应力相对降低百分比为28. 7%。
在Amsler HFP-422高频疲劳实验机上对试件进行等幅疲劳实验(最大载荷lOOMPa，最小载荷20MPa)，结果发现没有垫片情况下的构件的平均寿命为65949次，有垫片并涂88号胶结剂情况下的构件平均寿命为2605709次，安装垫片后，构件的平均寿命提高了38.5倍。
权利要求
1、一种多功能垫片，其特征在于，由抗变层(1)、过渡层(2)和粘合层(3)组成，在抗变层(1)与粘合层(3)之间设置有过渡层(2)。
2、 根据权利要求1所述的一种多功能垫片，其特征在于，所述的抗变 层(1)采用高强度、高刚度材料，所述的高强度、高刚度材料包括结构 钢、镍合金、钨合金、碳化钛或非晶材料，抗变层(1)的厚度为紧固件厚 度的O. 3 0.6倍。
3、 根据权利要求1或2所述的一种多功能垫片，其特征在于，所述的 过渡层(2)采用软金属材料，所述的软金属包括铜或铝或银及其合金， 过渡层(2)的厚度为0.01 0.5毫米。
4、 根据权利要求1或2所述的一种多功能垫片，其特征在于，所述的 粘合层(3)采用与构件的接触性能良好的材料，所述的与构件的接触性能 良好的材料包括镍及其合金、低碳钢或铝合金，所述的粘合层3的厚度为 5 300微米，优选10 50微米。
5、 利用功能垫片提高紧固件疲劳性能的方法，其特征在于，包括如下 步骤首先，功能垫片的抗变层l材料采用高强度、高刚度材料，功能垫片内 径与紧固件孔的直径比为1.05 1.2: 1，功能垫片的外径与紧固件孔的直径 比为2 4: 1，功能垫片的厚度与紧固件的厚度比为0.3 0.6: 1，所述的高强度、高刚度材料包括结构钢、镍合金、钨合金、碳化钛或非晶材料；其次，对上步中功能垫片的抗变层1进行打磨平整，去除抗变层l外表面上的毛刺、氧化物；再次，将软金属附在抗变层l与紧固件接触外表面上，形成功能垫片的过渡层2，软金属厚度为0.'01 0.5毫米，所述的软金属包括铜、铝、银、铜合金、银合金或铝合金；第四，在第三步的过渡层2的外表面再制造一层金属材料作为粘合层3，金属材料与紧固件表面的摩擦系数为0.3 1.0，其厚度为5 300微米，优选10 50微米，所述的金属材料包括镍及其合金、铁及低碳钢或铝及其 a会.第五，紧固件表面清理干净；第六，将功能垫片放置在紧固件上，其粘合层3与紧固件相接触，用螺 栓将功能垫片与紧固件连接紧固，或者根据需要采用SY-46或88号胶结剂， 施加的紧固力矩数值上为孔径直径的1 4倍。
全文摘要
多功能垫片，由抗变层1、过渡层2和粘合层3组成；利用其提高紧固件疲劳性能的方法如下首先，功能垫片的抗变层1材料采用高强度高刚度材料，功能垫片内径与紧固件孔的直径比为1.05～1.2∶1，功能垫片的外径与紧固件孔的直径比为2～4∶1，功能垫片的厚度与紧固件的厚度比为0.3～0.6∶1；其次，对上步中功能垫片的抗变层1打磨平整并清洁表面；再次，将软金属镀或喷涂或沉积在抗变层1与紧固件接触的表面上，形成功能垫片的过渡层2；第四，在软金属过渡层的外表面再镀或喷涂或沉积一层粘合层3；第五，紧固件表面清理干净；第六，将功能垫片与紧固件连接紧固，具有实用性强、使用简单，能有效的降低孔周边应力集中的特点。
文档编号B32B15/04GK101603560SQ2009100232
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月10日 优先权日2009年7月10日
发明者刘朝君, 刘马宝, 吕志刚, 曾晶晶 申请人:西安交通大学