微粒子喷丸对螺栓连接结构性能的改善研究

宋树亮 梁海啸 张远彬 常振 叶天一

摘要：由于铁路机车车辆在运行过程中经常出现螺栓连接的松动，螺栓疲劳断裂等导致螺栓连接性能下降的问题，影响行车安全。为了改善螺栓的安全性能，本文使用平均粒径55 μm的高速工具钢球对常用的M12商用螺栓螺杆表面进行微粒子喷丸强化处理。测试了微粒子喷丸前、后螺栓扭矩系数以及螺栓轴向预紧力的下降情况和横向循环加载周次间的关系。结果表明，微粒子喷丸处理能够有效降低螺栓扭矩系数的分散程度，并减缓横向循环加载时轴向预紧力的下降。通过以上研究发现，微粒子喷丸處理后螺栓性能改善的原因可以主要归结于：①降低了约一倍的螺栓表面粗糙度；②螺栓表层硬度被提高了约20%；③在螺栓表层引入了大量额外的残余压应力。上述因素均在一定程度上降低了扭矩系数的分散性并提高了螺栓的疲劳强度。

关键词：螺栓连接；微粒子喷丸；疲劳强度；扭矩系数；残余压应力

中图分类号：TH131.3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.11.006

文章编号：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

螺栓紧固结构是用一个或排列规则的多个螺栓将两个或多个构件连接在一起的整体结构[1]。铁路机车车辆中有许多重要构件由高强度螺栓连接，通过螺栓被拧紧使构件间产生摩擦力传递结构受力[2-4]。包括：安装制动盘的部位、吊挂电机的部位、连接齿轮齿圈与齿芯的部位、固定轴箱连杆部位、固定内燃机汽缸盖部位、吊挂设备舱部位、固定裙板部位等重要连接部位。机车车辆在运行过程中受振动载荷的作用经常出现螺栓连接结构的松动和螺杆的疲劳断裂[5-6]，因此，通过合理的方式改善螺栓连接部位的性能对保证列车运行安全至关重要[7]。目前为应对螺栓过早的松动，普遍的做法是从结构设计角度改善连接设计，或者选用型号等级更高的螺栓。但这对于某些无法更改结构或是变化使用其他螺栓的结构而言适用性较差。螺栓松动后，由于变形加剧，会导致螺栓容易过早的发生疲劳失效，甚至断裂[8]。

螺纹紧固结构发生疲劳的主要原因是螺牙的受力不均匀[9]。大量研究表明[10]，螺纹紧固件服役过程中主要由啮合区的第一、二圈螺牙承担大部分的外载，其余螺牙所受载荷作用逐渐减小，因此在服役工况下，螺栓结构易于从第一圈螺牙的根部位置产生最大的应力集中[11]，从而萌生裂纹引起疲劳。而多轴交变应力作用是结构疲劳失效的主要原因[12]。Jiang等[13]发现施加的螺栓预紧力的大小影响螺栓发生疲劳破坏的速度。Hashimura[14]通过大量的试验发现螺栓松动一般出现在加载后的103～104周次内，当试验进行105～106周次时，螺栓可能会在螺纹啮合区的螺牙根部萌生裂纹而出现疲劳问题。林恩强等[15]通过有限元的方法对铝板螺栓连接件在疲劳载荷作用下的疲劳行为进行了仿真分析，发现了增大预紧力可以减缓螺栓疲劳失效，并改变裂纹萌生角度，但会增加微动疲劳失效的风险。徐亚洲等[16]将试验与有限元分析方法结合，提出了预测螺栓疲劳寿命及裂纹萌生寿命的模型。目前的研究主要聚焦于如何预测螺栓的疲劳强度，但通过何种方式进一步改善螺栓连接部位的连接性能，从而延长螺栓疲劳寿命及裂纹萌生寿命目前的研究还较少。

微粒子喷丸表面处理技术是一种使用40～200 μm直径的钢珠或陶瓷珠与压缩空气混合后，以较高速度（100～150 m/s）喷射到金属材料表面使表面品质改良的处理技术[17-18]。该方法可使被处理构件的表层反复出现急热和急冷。在喷丸的过程中，当被处理金属表面产生的局部高温大于该材料的相变温度后，微粒子喷丸工艺可以起到表面热处理的作用。张明远等人通过对镀锌螺栓与不锈钢螺栓进行抗松動能力提升研究时发现，微粒子喷丸处理后螺纹面的磨损程度明显降低，从而提升了在横向载荷作用下的抗松动能力[19-20]。实验结果表明，螺纹表面的磨损程度与螺栓防松动能力之间成反比。除松动问题外，螺栓面临的疲劳问题同样不能忽视。上述研究并未研究微粒子喷丸对螺栓疲劳强度的提升效果。

在本文中，作者通过使用微粒子喷丸工艺对普通商用螺栓进行表面强化处理后对比研究处理前后的材料性能变化，以及对螺栓使用性能的改善情况。其中，微粒子喷丸工艺的优势在于，即使构件表面存在较小的沟槽（如螺纹）也可通过尺寸很小的丸粒对构件表面进行完整的强化处理。微粒子喷丸处理后几乎不改变甚至能够减小被喷丸构件的表面粗糙度。同时，在被喷丸金属表层形成富有韧性的微观结构，甚至表面微观结构可以达到尺度极小的纳米级尺寸，使螺栓具有更高的强度和承载能力。此外，微粒子喷丸技术的处理成本较低，且几乎不改变被喷物体的机械加工尺寸，因此比较适合用于总体结构较小且具有复杂结构形状的构件性能改善的生产应用中。上述技术优势与实验研究结果表明微粒子喷丸技术十分适用于处理螺栓连接结构，提升螺栓的平均轴向预紧力以及抗疲劳，抗松动能力。

1 螺栓试样及试验方法

用于试验的螺栓为M12×1.75-110 mm、螺纹区长度为45 mm、强度等级为10.9级，与螺栓配套的螺母是带有内嵌尼龙材料的防松螺母。螺栓材料为35CrMo，其化学成分（质量分数wt%）如下：0.4 C、0.31 Si 、0.55 Mn、1.05 Cr、0.21 Mo、0.008 S、0.018P。35CrMo材料经热处理后被锻造加工成螺栓形状，然后运用挤压成型工艺制作螺纹。螺杆材料的主要力学性能如下：弹性模量为210 GPa，屈服强度为914 MPa，   抗拉强度为1030 MPa，伸长率为5%。用于试验的一部分螺栓被重力式喷丸处理，处理的条件如表1所示，衡量喷丸强度的N试片弧高度为0.22。

螺栓的松动和疲劳试验测试在日本岛津制造所制造的电液伺服疲劳试验机上进行（图1），试验使用位移控制，加载频率8 Hz。设计螺栓结构松动疲劳试验的工装如图2所示。试验时，将螺栓螺杆依次穿过上、下被夹板以及轴向预紧力传感器，拧紧螺母使上述连接结构夹紧。上、下被夹板材料均为常见钢铁材料，45#钢。其中，上夹板厚度为15 mm，下夹板厚度为40 mm。将轴向预紧力传感器与试验机配套数据采集装置模块连接，并将试验数据实时反馈到试验机上，以实时监测试验过程中螺栓轴向预紧力的变化情况。转角传感器的支架在螺母外边缘处固定，实时监测整个试验过程中螺母相对螺栓螺杆的转动角度。试验时，将引伸计上的两变形弹片分别卡紧固定在上、下夹板的侧面，用来控制和实时监测两被夹板之间的相对位移。

上、下被夹板被分别安装在试验机的液压夹具中。试验过程中，试验机液压上夹具上下往复运动实现加载，下夹具保持固定不动。通过这种加载方式在螺栓上施加相应的横向载荷，并将疲劳试验的最大循环设定为1×106周次。为避免两被夹板之间因往复滑移产生摩擦影响螺杆轴向预紧力，在上、下被夹板接触一侧分别加工了相互平行的两列25×10×1.4 mm的方形凹槽。并尽量远离螺栓孔以减小刚度变化对试验的影响。将直径为3 mm的圆柱形滚柱并列7个放置到槽内，并适当涂抹二硫化钼润滑，消除了被夹钢板间的滑动摩擦接触对螺栓测试结果的较大影响。

螺栓结构的疲劳试验使用与松动试验相同的工装进行横向加载，加载的最大循环同样为106周次。

2 试验结果

2.1 喷丸前、后螺栓预紧力分散度研究

图3所示为预紧扭矩为70 N·m时，喷丸前、后螺栓预紧力分散度测试结果。由图可知，喷丸前，螺栓预紧力在15.5～23.1 kN之间分布，喷丸后，螺栓预紧力在22.5～25.1 kN之间分布。喷丸后的预紧力分散度明显变小，且预紧力的均值变大。螺栓的扭矩系数是扭矩与预紧力之间的系数，可见，喷丸能使螺栓的扭矩系数分散度变小，提高了螺栓的预紧质量。

2.2 喷丸前、后螺栓的抗松动能力

图4所示为螺栓在循环加载过程中预紧力下降量和循环加载周次的关系。由图可知，当预紧扭矩为70 N·m时，对3根螺栓分别进行位移加载，加载位移分别是0.15 mm、0.25 mm和0.35 mm，它们对应的加载力分别为：1.3 kN、2.4 kN和3.6 kN。当加载到105周次时，它们的预紧力分别下降了10%、12%和15%，加载位移越大，预紧力下降量越大。随后，当预紧扭矩增加为110 N·m后，对3根螺栓进行位移加载，加载位移同样分别是0.15 mm、0.25 mm和0.35 mm，它们对应的加载力分别为：2.2 kN、3.5 kN和4.6 kN，在加载过程中这3根螺栓均发生了源自螺杆头底部过渡区域的疲劳破坏，它们的疲劳寿命分别为：8.1×104周次、6.1×104周次和4.5×104周次，加载的位移越大，疲劳寿命越低。可见，由于预紧扭矩的增加，螺栓由松动失效转变成疲劳失效。

图5所示为在循环加载过程中当预紧扭矩为70 N·m时喷丸处理前后螺栓（来自图4的数据）的预紧力下降量和循环加载周次之间的关系。由图可知，喷丸后，对应于图4，可以发现当预紧扭矩为70 N·m时的3根螺栓的预紧力下降曲线的下降量全部变小。可见，喷丸处理可以在一定程度上提高螺栓的防松作用。

螺栓剩余预紧力随加载周次的变化

图6所示为在循环加载过程中当预紧扭矩为110 N·m时喷丸与未喷丸螺栓（来自图4的数据）的预紧力下降量和循环加载周次的关系。由图6可以看出，喷丸前3根螺栓全部发生螺杆头底部的疲劳折断。喷丸后，直至达到106加载周次，螺栓仍未发生疲劳断裂。可见，微粒子喷丸处理可以提高螺栓的抗疲劳能力。

2.3 疲劳断口观察

图7（a）所示为喷丸前螺栓螺杆头底部断裂的扫描电镜断口观察。由图可知，疲劳裂纹起始于试样（螺杆头底部）表面多个位置，这些位置分布在试样的两侧，对应于螺杆头承受循环弯曲应力较大的部位。起裂后的裂纹沿上下各自的加载方向相向扩展直至螺杆中部发生疲劳断裂。

图7（b）为喷丸后螺栓螺杆头底部断裂的扫描电镜断口观察。由图可知，疲劳裂纹起始于试样（螺杆头底部）表面多个位置，这些位置与未喷丸试样呈现同样特征，分布在试样的两侧，对应于螺杆头承受循环弯曲应力的较大部位，但裂纹起始数量明显少于未喷丸试样的数量，这可能是由于喷丸后，试样表面粗糙度降低后疲劳应力集中源减少的缘故（试样表面粗糙度测试结果见图8）。起裂后的裂纹沿上下各自的加载方向相向扩展直至螺杆中部发生折断。

3 试验结果分析

3.1 喷丸前、后材料表层的变化

3.1.1 材料喷丸前、后螺杆关键部位表面粗糙度

使用奥林巴斯激光共聚焦显微镜OLS4100對喷丸前、后螺杆头底部圆弧过渡边缘附近的形貌进行观测并测量其表面粗糙度。图8（a）和（b）分别为喷丸前后的形貌。可以看出，喷丸前，螺杆表面存在明显的加工沟槽。喷丸后，表面沟槽消失。由图8中的观测结果通过测试软件直接获得相应的粗糙度结果。喷丸前，其表面粗糙度Ra为1.14，喷丸后，表面粗糙度降低至0.62。可见，喷丸处理后，两部位试样表面的粗糙度大幅度的下降后达到相近的数值。

3.1.2 材料喷丸前、后螺杆关键部位的表层硬度

将螺杆沿中轴线切开，使用维氏硬度计对喷丸前、后螺杆的硬度沿试样深度方向进行测量，结果如图9所示。由图可知，微粒子喷丸可使距螺杆表面约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，由未处理时的360 HV上升到425 HV。可见，喷丸处理在一定程度上提高了材料表层的硬度。

3.1.3 材料喷丸前、后螺杆关键部位的表层残余压应力

采用X射线残余应力分析仪（Pulstecμ-

X360s）测试了螺杆头底部材料表层喷丸处理前、后的测残余应力分布。残余应力分析仪的X射线管采用Cr-Kα辐射，工作电压30 kV，工作电流为1.0 mA。入射的X射线束与被测试平面的夹角为35°，衍射角2θ为156°，衍射晶面为<211>，衍射时间为90 s。二维探测器垂直于X射线束，检测并记录了360°全向衍射角的X射线信息，根据残余应力对晶粒晶体结构的影响，首先通过Debye-Scherrer环上收集的信息计算应变，然后计算残余应力时根据cosα法。二维探测器一次采集360°的衍射数据，最后根据Debye-Scherrer环上的500个数据点进行残余应力拟合，保证结果的准确性。图10所示为残余应力测试结果。如图所示，喷丸前，螺杆头底部材料的残余应力在0～50 MPa附近波动，喷丸处理后，螺杆头底部材料的残余压应力在0～50 μm的范围分布，其最大值接近表面，约为600 MPa。可见喷丸处理后，螺杆头底部表层具有较高的残余压应力。

3.2 喷丸对螺栓性能的改善

表面处理对机械部件性能的影响通常体现在材料表面粗糙度、材料表层硬度和材料表层残余压应力的变化上。喷丸后，随着螺杆头底部和螺牙根部材料表面粗糙度的降低，材料表面质量的一致性得到改善，是螺栓扭矩系数分散度变小的一个因素。另外，螺杆头底部材料表面粗糙度的降低，也能够降低螺杆头底部材料表面的应力集中程度，从而减少疲劳裂纹萌生的机会；喷丸后，随着螺杆头底部和螺牙根部材料表层硬度的提高，螺杆材料表面抗微观塑性变形的能力和耐磨能力提高，从而提高了螺栓预紧力的下降量。根据相关统计规律表明，金属材料的疲劳强度约是维氏硬度的1.6倍[12]，具有如下的对应关系：σw＝1.6 HV。因此，喷丸后螺杆头底部维氏硬度的提高会造成材料疲劳强度的提高；喷丸后，螺杆材料表面被赋予了残余压应力，当外载荷作用于螺栓时，该残余压应力可以降低螺杆头底部合应力的作用，从而降低疲劳载荷，使螺杆头底部的抗疲劳能力提高。

综上所述，微粒子喷丸降低了螺杆头底部和螺牙根部材料的表面粗糙度，提高了螺杆头底部和螺牙部位的维氏硬度，螺杆表面引入的残余压应力是改善螺栓紧固结构综合性能的主要因素。

4 结论

（1）微粒子喷丸处理后的螺栓在相同扭矩条件下可以获得更高的平均轴向预紧力，且预紧力的分散程度更小，在工程应用中能够更好的控制螺栓预紧力的大小。

（2）微粒子喷丸处理能够有效提高螺杆的抗疲劳能力，可以降低机械加工后的螺栓表面粗糙度约一倍左右，更小的表面粗糙度意味着表面更轻微的应力集中，从而可以减少由表面应力集中引入的裂纹，并一定程度上提高疲劳极限。

（3）微粒子喷丸处理后的螺栓性能有较大幅度的改善，提高了螺栓表层硬度并在螺栓表层引入了额外的残余压应力，抵抗外载荷的能力得到明显提高，以上处理效果都对螺栓疲劳强度的提升十分有效。

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