微粒子噴丸對螺栓連接結構性能的改善研究

宋樹亮 梁海嘯 張遠彬 常振 葉天一

摘要：由于鐵路機車車輛在運行過程中經常出現螺栓連接的松動，螺栓疲勞斷裂等導致螺栓連接性能下降的問題，影響行車安全。為了改善螺栓的安全性能，本文使用平均粒徑55 μm的高速工具鋼球對常用的M12商用螺栓螺桿表面進行微粒子噴丸強化處理。測試了微粒子噴丸前、后螺栓扭矩系數以及螺栓軸向預緊力的下降情況和橫向循環加載周次間的關系。結果表明，微粒子噴丸處理能夠有效降低螺栓扭矩系數的分散程度，并減緩橫向循環加載時軸向預緊力的下降。通過以上研究發現，微粒子噴丸處理后螺栓性能改善的原因可以主要歸結于：①降低了約一倍的螺栓表面粗糙度；②螺栓表層硬度被提高了約20%；③在螺栓表層引入了大量額外的殘余壓應力。上述因素均在一定程度上降低了扭矩系數的分散性并提高了螺栓的疲勞強度。

關鍵詞：螺栓連接；微粒子噴丸；疲勞強度；扭矩系數；殘余壓應力

中圖分類號：TH131.3 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.11.006

文章編號：1006-0316 （2023） 11-0038-08

Study on Improving the Performance of Bolted Joint by Micro-Shot Peening

SONG Shuliang，LIANG Haixiao，ZHANG Yuanbin，CHANG Zhen，YE Tianyi

（ CRRC QingdaoSifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111， China ）

Abstract：Due to the loosening of bolt connection and the fatigue fracture of boltin the running process of railway rolling stock， the performance of bolts is often reduced， which affects the driving safety. In order to improve the safety performance of bolts， a high-speed tool steel ball with an average particle size of 55 μm was used to strengthen the surface of the commonly used M12 commercial bolt. The relationship between the torque coefficient of bolt before and after micro-shot peening， the decline of bolt axial preload and transverse cyclic loading cycles was tested. The results show that the micro-shot peening can effectively reduce the dispersion degree of bolt torque coefficient and slow down the decline of axial preload during lateral cyclic loading. It can be found from the above research that the reasons for the improvement of bolt performance after micro-shotpeening can be mainly attributed to： ①Reduced bolt surface roughness by about twice. ②The surface hardness of the bolt has been increased by about 20%. ③A large amount of additional residual compressive stress is introduced into the bolt surface. The above factors reduce the dispersion of torque coefficient and increase the fatigue strength of bolts to a certain extent.

Key words：bolted joint；micro-shot peening；fatigue strength；torque coefficient；residual compressive stress

螺栓緊固結構是用一個或排列規則的多個螺栓將兩個或多個構件連接在一起的整體結構[1]。鐵路機車車輛中有許多重要構件由高強度螺栓連接，通過螺栓被擰緊使構件間產生摩擦力傳遞結構受力[2-4]。包括：安裝制動盤的部位、吊掛電機的部位、連接齒輪齒圈與齒芯的部位、固定軸箱連桿部位、固定內燃機汽缸蓋部位、吊掛設備艙部位、固定裙板部位等重要連接部位。機車車輛在運行過程中受振動載荷的作用經常出現螺栓連接結構的松動和螺桿的疲勞斷裂[5-6]，因此，通過合理的方式改善螺栓連接部位的性能對保證列車運行安全至關重要[7]。目前為應對螺栓過早的松動，普遍的做法是從結構設計角度改善連接設計，或者選用型號等級更高的螺栓。但這對于某些無法更改結構或是變化使用其他螺栓的結構而言適用性較差。螺栓松動后，由于變形加劇，會導致螺栓容易過早的發生疲勞失效，甚至斷裂[8]。

螺紋緊固結構發生疲勞的主要原因是螺牙的受力不均勻[9]。大量研究表明[10]，螺紋緊固件服役過程中主要由嚙合區的第一、二圈螺牙承擔大部分的外載，其余螺牙所受載荷作用逐漸減小，因此在服役工況下，螺栓結構易于從第一圈螺牙的根部位置產生最大的應力集中[11]，從而萌生裂紋引起疲勞。而多軸交變應力作用是結構疲勞失效的主要原因[12]。Jiang等[13]發現施加的螺栓預緊力的大小影響螺栓發生疲勞破壞的速度。Hashimura[14]通過大量的試驗發現螺栓松動一般出現在加載后的103～104周次內，當試驗進行105～106周次時，螺栓可能會在螺紋嚙合區的螺牙根部萌生裂紋而出現疲勞問題。林恩強等[15]通過有限元的方法對鋁板螺栓連接件在疲勞載荷作用下的疲勞行為進行了仿真分析，發現了增大預緊力可以減緩螺栓疲勞失效，并改變裂紋萌生角度，但會增加微動疲勞失效的風險。徐亞洲等[16]將試驗與有限元分析方法結合，提出了預測螺栓疲勞壽命及裂紋萌生壽命的模型。目前的研究主要聚焦于如何預測螺栓的疲勞強度，但通過何種方式進一步改善螺栓連接部位的連接性能，從而延長螺栓疲勞壽命及裂紋萌生壽命目前的研究還較少。

微粒子噴丸表面處理技術是一種使用40～200 μm直徑的鋼珠或陶瓷珠與壓縮空氣混合后，以較高速度（100～150 m/s）噴射到金屬材料表面使表面品質改良的處理技術[17-18]。該方法可使被處理構件的表層反復出現急熱和急冷。在噴丸的過程中，當被處理金屬表面產生的局部高溫大于該材料的相變溫度后，微粒子噴丸工藝可以起到表面熱處理的作用。張明遠等人通過對鍍鋅螺栓與不銹鋼螺栓進行抗松動能力提升研究時發現，微粒子噴丸處理后螺紋面的磨損程度明顯降低，從而提升了在橫向載荷作用下的抗松動能力[19-20]。實驗結果表明，螺紋表面的磨損程度與螺栓防松動能力之間成反比。除松動問題外，螺栓面臨的疲勞問題同樣不能忽視。上述研究并未研究微粒子噴丸對螺栓疲勞強度的提升效果。

在本文中，作者通過使用微粒子噴丸工藝對普通商用螺栓進行表面強化處理后對比研究處理前后的材料性能變化，以及對螺栓使用性能的改善情況。其中，微粒子噴丸工藝的優勢在于，即使構件表面存在較小的溝槽（如螺紋）也可通過尺寸很小的丸粒對構件表面進行完整的強化處理。微粒子噴丸處理后幾乎不改變甚至能夠減小被噴丸構件的表面粗糙度。同時，在被噴丸金屬表層形成富有韌性的微觀結構，甚至表面微觀結構可以達到尺度極小的納米級尺寸，使螺栓具有更高的強度和承載能力。此外，微粒子噴丸技術的處理成本較低，且幾乎不改變被噴物體的機械加工尺寸，因此比較適合用于總體結構較小且具有復雜結構形狀的構件性能改善的生產應用中。上述技術優勢與實驗研究結果表明微粒子噴丸技術十分適用于處理螺栓連接結構，提升螺栓的平均軸向預緊力以及抗疲勞，抗松動能力。

1 螺栓試樣及試驗方法

用于試驗的螺栓為M12×1.75-110 mm、螺紋區長度為45 mm、強度等級為10.9級，與螺栓配套的螺母是帶有內嵌尼龍材料的防松螺母。螺栓材料為35CrMo，其化學成分（質量分數wt%）如下：0.4 C、0.31 Si 、0.55 Mn、1.05 Cr、0.21 Mo、0.008 S、0.018P。35CrMo材料經熱處理后被鍛造加工成螺栓形狀，然后運用擠壓成型工藝制作螺紋。螺桿材料的主要力學性能如下：彈性模量為210 GPa，屈服強度為914 MPa， ? 抗拉強度為1030 MPa，伸長率為5%。用于試驗的一部分螺栓被重力式噴丸處理，處理的條件如表1所示，衡量噴丸強度的N試片弧高度為0.22。

螺栓的松動和疲勞試驗測試在日本島津制造所制造的電液伺服疲勞試驗機上進行（圖1），試驗使用位移控制，加載頻率8 Hz。設計螺栓結構松動疲勞試驗的工裝如圖2所示。試驗時，將螺栓螺桿依次穿過上、下被夾板以及軸向預緊力傳感器，擰緊螺母使上述連接結構夾緊。上、下被夾板材料均為常見鋼鐵材料，45#鋼。其中，上夾板厚度為15 mm，下夾板厚度為40 mm。將軸向預緊力傳感器與試驗機配套數據采集裝置模塊連接，并將試驗數據實時反饋到試驗機上，以實時監測試驗過程中螺栓軸向預緊力的變化情況。轉角傳感器的支架在螺母外邊緣處固定，實時監測整個試驗過程中螺母相對螺栓螺桿的轉動角度。試驗時，將引伸計上的兩變形彈片分別卡緊固定在上、下夾板的側面，用來控制和實時監測兩被夾板之間的相對位移。

上、下被夾板被分別安裝在試驗機的液壓夾具中。試驗過程中，試驗機液壓上夾具上下往復運動實現加載，下夾具保持固定不動。通過這種加載方式在螺栓上施加相應的橫向載荷，并將疲勞試驗的最大循環設定為1×106周次。為避免兩被夾板之間因往復滑移產生摩擦影響螺桿軸向預緊力，在上、下被夾板接觸一側分別加工了相互平行的兩列25×10×1.4 mm的方形凹槽。并盡量遠離螺栓孔以減小剛度變化對試驗的影響。將直徑為3 mm的圓柱形滾柱并列7個放置到槽內，并適當涂抹二硫化鉬潤滑，消除了被夾鋼板間的滑動摩擦接觸對螺栓測試結果的較大影響。

螺栓結構的疲勞試驗使用與松動試驗相同的工裝進行橫向加載，加載的最大循環同樣為106周次。

2 試驗結果

2.1 噴丸前、后螺栓預緊力分散度研究

圖3所示為預緊扭矩為70 N·m時，噴丸前、后螺栓預緊力分散度測試結果。由圖可知，噴丸前，螺栓預緊力在15.5～23.1 kN之間分布，噴丸后，螺栓預緊力在22.5～25.1 kN之間分布。噴丸后的預緊力分散度明顯變小，且預緊力的均值變大。螺栓的扭矩系數是扭矩與預緊力之間的系數，可見，噴丸能使螺栓的扭矩系數分散度變小，提高了螺栓的預緊質量。

2.2 噴丸前、后螺栓的抗松動能力

圖4所示為螺栓在循環加載過程中預緊力下降量和循環加載周次的關系。由圖可知，當預緊扭矩為70 N·m時，對3根螺栓分別進行位移加載，加載位移分別是0.15 mm、0.25 mm和0.35 mm，它們對應的加載力分別為：1.3 kN、2.4 kN和3.6 kN。當加載到105周次時，它們的預緊力分別下降了10%、12%和15%，加載位移越大，預緊力下降量越大。隨后，當預緊扭矩增加為110 N·m后，對3根螺栓進行位移加載，加載位移同樣分別是0.15 mm、0.25 mm和0.35 mm，它們對應的加載力分別為：2.2 kN、3.5 kN和4.6 kN，在加載過程中這3根螺栓均發生了源自螺桿頭底部過渡區域的疲勞破壞，它們的疲勞壽命分別為：8.1×104周次、6.1×104周次和4.5×104周次，加載的位移越大，疲勞壽命越低。可見，由于預緊扭矩的增加，螺栓由松動失效轉變成疲勞失效。

圖5所示為在循環加載過程中當預緊扭矩為70 N·m時噴丸處理前后螺栓（來自圖4的數據）的預緊力下降量和循環加載周次之間的關系。由圖可知，噴丸后，對應于圖4，可以發現當預緊扭矩為70 N·m時的3根螺栓的預緊力下降曲線的下降量全部變小。可見，噴丸處理可以在一定程度上提高螺栓的防松作用。

螺栓剩余預緊力隨加載周次的變化

圖6所示為在循環加載過程中當預緊扭矩為110 N·m時噴丸與未噴丸螺栓（來自圖4的數據）的預緊力下降量和循環加載周次的關系。由圖6可以看出，噴丸前3根螺栓全部發生螺桿頭底部的疲勞折斷。噴丸后，直至達到106加載周次，螺栓仍未發生疲勞斷裂。可見，微粒子噴丸處理可以提高螺栓的抗疲勞能力。

2.3 疲勞斷口觀察

圖7（a）所示為噴丸前螺栓螺桿頭底部斷裂的掃描電鏡斷口觀察。由圖可知，疲勞裂紋起始于試樣（螺桿頭底部）表面多個位置，這些位置分布在試樣的兩側，對應于螺桿頭承受循環彎曲應力較大的部位。起裂后的裂紋沿上下各自的加載方向相向擴展直至螺桿中部發生疲勞斷裂。

圖7（b）為噴丸后螺栓螺桿頭底部斷裂的掃描電鏡斷口觀察。由圖可知，疲勞裂紋起始于試樣（螺桿頭底部）表面多個位置，這些位置與未噴丸試樣呈現同樣特征，分布在試樣的兩側，對應于螺桿頭承受循環彎曲應力的較大部位，但裂紋起始數量明顯少于未噴丸試樣的數量，這可能是由于噴丸后，試樣表面粗糙度降低后疲勞應力集中源減少的緣故（試樣表面粗糙度測試結果見圖8）。起裂后的裂紋沿上下各自的加載方向相向擴展直至螺桿中部發生折斷。

3 試驗結果分析

3.1 噴丸前、后材料表層的變化

3.1.1 材料噴丸前、后螺桿關鍵部位表面粗糙度

使用奧林巴斯激光共聚焦顯微鏡OLS4100對噴丸前、后螺桿頭底部圓弧過渡邊緣附近的形貌進行觀測并測量其表面粗糙度。圖8（a）和（b）分別為噴丸前后的形貌。可以看出，噴丸前，螺桿表面存在明顯的加工溝槽。噴丸后，表面溝槽消失。由圖8中的觀測結果通過測試軟件直接獲得相應的粗糙度結果。噴丸前，其表面粗糙度Ra為1.14，噴丸后，表面粗糙度降低至0.62。可見，噴丸處理后，兩部位試樣表面的粗糙度大幅度的下降后達到相近的數值。

3.1.2 材料噴丸前、后螺桿關鍵部位的表層硬度

將螺桿沿中軸線切開，使用維氏硬度計對噴丸前、后螺桿的硬度沿試樣深度方向進行測量，結果如圖9所示。由圖可知，微粒子噴丸可使距螺桿表面約50 μm前的材料的硬度有所上升，在接近表面的位置硬度上升最大，由未處理時的360 HV上升到425 HV。可見，噴丸處理在一定程度上提高了材料表層的硬度。

3.1.3 材料噴丸前、后螺桿關鍵部位的表層殘余壓應力

采用X射線殘余應力分析儀（Pulstecμ-

X360s）測試了螺桿頭底部材料表層噴丸處理前、后的測殘余應力分布。殘余應力分析儀的X射線管采用Cr-Kα輻射，工作電壓30 kV，工作電流為1.0 mA。入射的X射線束與被測試平面的夾角為35°，衍射角2θ為156°，衍射晶面為<211>，衍射時間為90 s。二維探測器垂直于X射線束，檢測并記錄了360°全向衍射角的X射線信息，根據殘余應力對晶粒晶體結構的影響，首先通過Debye-Scherrer環上收集的信息計算應變，然后計算殘余應力時根據cosα法。二維探測器一次采集360°的衍射數據，最后根據Debye-Scherrer環上的500個數據點進行殘余應力擬合，保證結果的準確性。圖10所示為殘余應力測試結果。如圖所示，噴丸前，螺桿頭底部材料的殘余應力在0～50 MPa附近波動，噴丸處理后，螺桿頭底部材料的殘余壓應力在0～50 μm的范圍分布，其最大值接近表面，約為600 MPa。可見噴丸處理后，螺桿頭底部表層具有較高的殘余壓應力。

3.2 噴丸對螺栓性能的改善

表面處理對機械部件性能的影響通常體現在材料表面粗糙度、材料表層硬度和材料表層殘余壓應力的變化上。噴丸后，隨著螺桿頭底部和螺牙根部材料表面粗糙度的降低，材料表面質量的一致性得到改善，是螺栓扭矩系數分散度變小的一個因素。另外，螺桿頭底部材料表面粗糙度的降低，也能夠降低螺桿頭底部材料表面的應力集中程度，從而減少疲勞裂紋萌生的機會；噴丸后，隨著螺桿頭底部和螺牙根部材料表層硬度的提高，螺桿材料表面抗微觀塑性變形的能力和耐磨能力提高，從而提高了螺栓預緊力的下降量。根據相關統計規律表明，金屬材料的疲勞強度約是維氏硬度的1.6倍[12]，具有如下的對應關系：σw＝1.6 HV。因此，噴丸后螺桿頭底部維氏硬度的提高會造成材料疲勞強度的提高；噴丸后，螺桿材料表面被賦予了殘余壓應力，當外載荷作用于螺栓時，該殘余壓應力可以降低螺桿頭底部合應力的作用，從而降低疲勞載荷，使螺桿頭底部的抗疲勞能力提高。

綜上所述，微粒子噴丸降低了螺桿頭底部和螺牙根部材料的表面粗糙度，提高了螺桿頭底部和螺牙部位的維氏硬度，螺桿表面引入的殘余壓應力是改善螺栓緊固結構綜合性能的主要因素。

4 結論

（1）微粒子噴丸處理后的螺栓在相同扭矩條件下可以獲得更高的平均軸向預緊力，且預緊力的分散程度更小，在工程應用中能夠更好的控制螺栓預緊力的大小。

（2）微粒子噴丸處理能夠有效提高螺桿的抗疲勞能力，可以降低機械加工后的螺栓表面粗糙度約一倍左右，更小的表面粗糙度意味著表面更輕微的應力集中，從而可以減少由表面應力集中引入的裂紋，并一定程度上提高疲勞極限。

（3）微粒子噴丸處理后的螺栓性能有較大幅度的改善，提高了螺栓表層硬度并在螺栓表層引入了額外的殘余壓應力，抵抗外載荷的能力得到明顯提高，以上處理效果都對螺栓疲勞強度的提升十分有效。

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