熱-力耦合作用下螺栓連接松動(dòng)行為研究*

張德乾 李 豐 化俞新 范健飛 張 挺 劉建華 朱旻昊

（1. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266111；2. 西南交通大學(xué)材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610031）

螺栓連接廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備中， 是機(jī)械連接中最常見有效的連接方式之一。 在工程應(yīng)用中， 由于外部環(huán)境以及螺栓自身因素的影響， 螺栓連接可能會(huì)存在疲勞斷裂和松動(dòng)的問題。 據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)， 世界各國因螺紋連接結(jié)構(gòu)的失效造成較大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。

GOODIER 和SWEENEY［2］通過試驗(yàn)研究指出，在軸向交變載荷作用下， 螺紋接觸面間會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致螺紋連接發(fā)生松動(dòng)， 并且松動(dòng)程度隨著幅值增大而升高。 JUNKER［3］設(shè)計(jì)了螺栓連接在橫向交變載荷下的松動(dòng)試驗(yàn)機(jī)——Junker 試驗(yàn)機(jī)， 并指出松動(dòng)主要是由于螺紋間的相對運(yùn)動(dòng)所引起的。 SAKAI［4］定義了臨界滑動(dòng)的概念， 即造成螺栓頭部承載面發(fā)生相對滑移的被連接件之間的最小滑動(dòng)量。 ZHANG、 JIANG等［5-7］通過試驗(yàn)和有限元方法得出螺栓連接的松動(dòng)過程分為2 個(gè)階段： 第一階段， 螺紋接觸界面沒有相對轉(zhuǎn)動(dòng)， 螺紋接觸面和連接結(jié)構(gòu)的塑性變形， 導(dǎo)致螺栓軸向力緩慢下降； 第二階段， 螺紋接觸界面的相對轉(zhuǎn)動(dòng)， 使螺栓軸向力快速下降。 PAI 和HESS 等［8-9］認(rèn)為螺紋接觸界面、 螺栓頭部和承載接觸界面均可能存在局部滑移狀態(tài)或完全滑移狀態(tài)， 累積局部滑移比完全滑移所需要的橫向載荷低。 周仲榮、 管聰榮和唐輝等人［10-12］研究發(fā)現(xiàn)螺紋表面微動(dòng)損傷會(huì)導(dǎo)致螺栓連接發(fā)生松動(dòng)。 杜永強(qiáng)等［13］、 于澤通等［14］研究了軸向交變載荷下螺栓連接的松動(dòng)行為， 結(jié)果表明螺栓連接發(fā)生松動(dòng)的原因是螺紋接觸面間的微動(dòng)磨損， 并揭示了螺紋磨損區(qū)域的損傷機(jī)制和磨損機(jī)制。 LIU 等［15-16］研究了螺栓連接在軸向激勵(lì)下的松動(dòng)機(jī)制， 研究表明螺栓松動(dòng)前期主要原因是材料的塑性變形， 松動(dòng)后期是由于螺紋接觸界面的微動(dòng)磨損。 IBRAHIM 和PETTIT［17］研究表明： 在振動(dòng)工況下， 螺紋表面發(fā)生微動(dòng)磨損，引起螺栓連接的軸向力逐漸減小， 當(dāng)減小到一定值時(shí)， 螺母與螺栓之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)， 進(jìn)而導(dǎo)致螺栓連接軸向力快速減小。 ZHANG 等［18-19］研究了橫向交變載荷下螺栓連接的松動(dòng)行為， 螺紋接觸面間的微動(dòng)磨損會(huì)改變界面接觸狀態(tài)， 影響接觸應(yīng)力的分布狀態(tài)和幅值， 進(jìn)而導(dǎo)致螺栓軸向力下降。

徐浩等人［20］研究發(fā)現(xiàn)， 高溫環(huán)境中螺栓初始預(yù)緊力決定預(yù)緊力的下降幅值， 初始預(yù)緊力越大， 損失的預(yù)緊力越大， 殘余預(yù)緊力越大。 相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)， 高溫環(huán)境下法蘭發(fā)生泄漏不可忽視的一個(gè)重要因素是螺栓材料發(fā)生蠕變而導(dǎo)致的應(yīng)力松弛［21-23］。 王志武和宋濤［24］研究了20CrlMoIVI 鋼在540 ℃、 9.8 MPa 下服役3×105h 后的力學(xué)性能， 得出在上述條件下，20CrlMoIVI 鋼仍然保持良好的力學(xué)性能。 毛磊等人［25］研究發(fā)現(xiàn)2Cr12NiMoWV 在高溫下螺栓出現(xiàn)硬度上升。 陳漢良［26］介紹了計(jì)算高溫螺栓材料許用應(yīng)力的方法， 發(fā)現(xiàn)許用的最大初始應(yīng)力不僅與螺栓的性能如高溫持久強(qiáng)度、 缺口敏感系數(shù)等有關(guān)， 且與螺栓的應(yīng)力集中系數(shù)有關(guān)。 但在交變溫度和載荷耦合作用下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)行為及其防松的試驗(yàn)研究較少。

本文作者基于研制螺栓連接松動(dòng)試驗(yàn)夾具和溫度加載裝置， 開展溫度和橫向交變載荷耦合作用下螺栓連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)行為研究， 運(yùn)用微動(dòng)摩擦學(xué)理論、 微觀分析手段和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)， 研究溫度和橫向交變載荷耦合作用下螺栓連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)行為。 此外， 選取DLC涂層和CrAlN 涂層分別對螺栓進(jìn)行表面處理， 研究不同溫度下2 種涂層螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)行為， 并討論其防松性能。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 新型螺栓連接的松動(dòng)試驗(yàn)夾具

圖1 示出了熱-力耦合作用下螺栓連接的松動(dòng)試驗(yàn)裝置， 上、 下夾具分別采用7050 鋁合金和316L 不銹鋼材料。 為了減小試驗(yàn)過程中上、 下夾具間的摩擦力， 降低兩者之間的材料損傷， 在下夾具中使用滾子軸承（型號(hào)： IKO-NAG4900） 和軸承鋼滾柱（材料：GCr15）， 并在軸承中添加耐高溫的潤滑脂 （美孚XHP222）。 下夾具在試驗(yàn)前通過疲勞機(jī)的下夾頭固定； 然后使用定位銷， 對上夾具和下夾具進(jìn)行定位，保證上下夾具螺栓孔處于同一軸線上； 隨后用螺栓穿過隔熱墊片、 隔熱內(nèi)套、 壓力傳感器和上下夾具與螺母連接； 使用扳手對螺栓頭進(jìn)行固定， 先使用數(shù)顯扭矩扳手對螺母施加一定扭矩， 取出上、 下夾具之間的定位銷， 再施加扭矩使螺栓預(yù)緊力達(dá)到預(yù)設(shè)值； 調(diào)整試驗(yàn)機(jī)上夾頭， 并夾緊上夾具的夾持端。 壓力傳感器與動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)相連， 實(shí)時(shí)采集螺栓軸向力的變化。

圖1 螺栓連接的松動(dòng)試驗(yàn)夾具示意Fig.1 Schematic of the loosening test fixture for bolted joint

1.2 試驗(yàn)材料及涂層

1.2.1 試驗(yàn)材料

上夾具材料為7050 鋁合金， 下夾具材料為316L不銹鋼， 試驗(yàn)采用的螺栓和螺母均為35CrMo 鋼， 其化學(xué)成分如表1 所示。 螺紋公稱直徑為10 mm， 螺距為1.5 mm， 螺紋相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)［27］。 螺栓表面分別采用DLC 涂層和CrAlN 涂層處理， 螺母表面采用DLC 涂層。 2 種材料的主要機(jī)械性能如表2 所示。

表1 試驗(yàn)材料主要化學(xué)成分 單位：%Table 1 Main chemical composition of test materials Unit：%

表2 試驗(yàn)材料主要機(jī)械性能Table 2 Main mechanical properties of test materials

1.2.2 涂層的制備及分析

DLC 涂層和CrAlN 涂層分別采用CVD、 PVD 技術(shù)制備。 為了檢測涂層的力學(xué)性能和基本屬性， 對相同基體（35CrMo 鋼） 的平面樣品在同一批涂層制備腔內(nèi)鍍上DLC 涂層和CrAlN 涂層。 采用賽默飛Dxi 共聚焦拉曼光譜儀檢測涂層的表面物組成， 其中： DLC涂層激發(fā)波長為532 nm； CrAlN 涂層激發(fā)波長為532 nm。 采用納米壓痕測試儀（型號(hào)： 安東帕UNHT）檢測涂層的彈性模量和納米硬度， 其中DLC 涂層最大加載力為10 mN， 加載速度和卸載速度為20 mN／min； CrAlN 涂層最大加載力為9 mN， 加載速度和卸載速度為18 mN／min。

DLC 涂層和CrAlN 涂層的拉曼光譜如圖2 所示。DLC 涂層結(jié)構(gòu)是位于金剛石和石墨之間的一種結(jié)構(gòu)，金剛石結(jié)構(gòu)主要為sp3C-C 雜化鍵， 而石墨結(jié)構(gòu)主要為sp2C-C 雜化鍵。 因此， 運(yùn)用Gaussian 函數(shù)對拉曼圖譜進(jìn)行擬合， 可以得到2 種特征峰： 表征sp3C-C雜化鍵的D 峰（1 370 cm-1）、 表征sp2C-C 雜化鍵的G 峰（1 550 cm-1）［28］， D 峰與G 峰的峰強(qiáng)比ID∶IG＝0.88。 從CrAlN 涂層拉曼圖譜可以觀察到， 在260 和750 cm-1附近存在峰。 據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［29］可知， CrAlN具有面心立方結(jié)構(gòu) （FCC）， 所以會(huì)在260 和750 cm-1附近存在拉曼帶。

圖2 涂層拉曼圖譜Fig.2 Raman spectrum of coatings： （a） DLC coating； （b） CrAlN coating

圖3 所示是DLC 涂層和CrAlN 涂層的載荷-位移曲線。 DLC 涂層表面的彈性模量約為184.3 GPa， 納米硬度約為19.4 GPa； CrAlN 涂層表面的彈性模量約為330 GPa， 納米硬度約為30.1 GPa。

圖3 涂層載荷-位移曲線Fig.3 Coating load-displacement curves

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

螺栓預(yù)緊力：p0＝14.3 kN；

試驗(yàn)頻率：f＝10 Hz；

循環(huán)次數(shù)：N＝5×104次；

位移幅值加載路徑：Ad＝AFsin（2πft）， 其中AF＝0.2 mm；

試驗(yàn)溫度： 室溫（RT）、 70 ℃、 140 ℃、 180 ℃。

1.4 微觀分析方法

試驗(yàn)結(jié)束后， 將螺栓樣品放入裝有乙醇溶液的燒杯中， 利用超聲波清洗儀對其進(jìn)行清洗， 每次10 min， 共清洗3 次， 然后烘干， 并置于干燥皿中。 利用光學(xué)顯微鏡（OM， OLYMPUS-DSX100） 觀察試驗(yàn)后螺紋表面的損傷形貌， 并標(biāo)注損傷嚴(yán)重區(qū)域。 采用電火花線切割方法， 截取螺栓工作螺紋的前三牙， 并對其進(jìn)行超聲波清洗， 利用掃描電子顯微鏡（SEM，JOELJEM-6610LV， 日本） 進(jìn)行表面損傷形貌分析，并使用SEM 附帶的電子能譜儀（EDX， OXFORDXMAX50 INCA-250） 對損傷區(qū)表面及磨屑進(jìn)行化學(xué)成分分析。 此外， 使用三維白光干涉儀 （3D-WLI，BRUKER Contour GT-K） 對第一圈螺紋表面損傷區(qū)進(jìn)行三維形貌表征， 測量其磨損深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 室溫環(huán)境下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)行為研究

根據(jù)相關(guān)研究可知： 螺栓連接結(jié)構(gòu)在承受工作載荷時(shí)， 前三圈工作螺紋約承載全部軸向力的70%，第一圈工作螺紋約承載了全部軸向力的30%［30］。 因此， 運(yùn)用OM 重點(diǎn)分析了前三圈工作螺紋的磨損情況。 如圖4 所示， 從右至左分別為第1、 2、 3 圈工作螺紋， 前三圈螺紋的表面磨損程度不一致并在局部區(qū)域呈現(xiàn)出不連續(xù)性。 其原因是在螺栓工作時(shí)， 第一圈螺紋的承載最大， 往后的螺紋承載隨圈次增加而減小， 螺紋表面磨損程度隨圈次增加而減小。 從圖中還可以看出， 螺紋表面磨損主要集中在螺紋牙頂區(qū)域，其原因是在松動(dòng)的過程中牙頂區(qū)域界面滑移幅值較大。

圖4 室溫下螺紋OM 形貌（p0 ＝14.3 kN）Fig.4 OM images of thread surfaces at room temperature（p0 ＝14.3 kN）： （a） before test； （b） after test

如圖5 所示， 螺紋表面存在明顯剝落和犁溝， 在I 區(qū)域伴隨點(diǎn)蝕形貌和塑性流動(dòng)， 在II 區(qū)域伴隨有點(diǎn)蝕形貌， 說明其磨損機(jī)制為疲勞磨損和磨粒磨損。 從圖5 （b） 可以看出， 螺紋表面點(diǎn)B 處氧元素含量比點(diǎn)C 處高， 故點(diǎn)B 所在位置發(fā)生了氧化磨損。 因此，螺紋表面的磨損機(jī)制為疲勞磨損、 氧化磨損和磨粒磨損。 如圖6 所示， 螺紋表面的磨損整體較輕微， 部分區(qū)域的磨損比較嚴(yán)重， 螺紋表面區(qū)域的磨損呈現(xiàn)出不連續(xù)性， 但螺紋表面整體的磨損深度較淺。

圖5 室溫下螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 分析（p0 ＝14.3 kN）Fig.5 SEM morphology （a） and EDX analysis （b） of bolt threads at room temperature （p0 ＝14.3 kN）

圖6 室溫下螺栓螺紋表面三維形貌和磨損深度（p0 ＝14.3 kN）Fig.6 Three-dimensional morphology and wear depth of bolt thread surface at room temperature （p0 ＝14.3 kN）：（a） three-dimensional morphology of bolt thread surface； （b） wear depth profile of the first thread

如圖7 所示， 螺栓軸向力的減小主要分為2 個(gè)階段： 快速降低階段， 循環(huán)次數(shù)為N＝0 ～103， 螺栓軸向力迅速減小主要由螺栓連接發(fā)生了塑性變形和螺紋表面的粗糙峰被去除所引起的； 循環(huán)次數(shù)為N＝103～5×104次， 由于材料的棘輪效應(yīng)， 螺紋接觸界面發(fā)生微動(dòng)磨損， 螺栓軸向力緩慢下降。 試驗(yàn)結(jié)束后， 螺栓軸向力減小了約5.5%， 而第一階段下降約4%， 占總松動(dòng)程度的72%。 此外， 微動(dòng)磨損產(chǎn)生的磨屑在接觸副間不斷堆積和排出， 所以螺栓軸向力在部分循環(huán)周期內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)。

圖7 室溫下螺栓松動(dòng)曲線（p0 ＝14.3 kN）Fig.7 Bolt loosening curves at room temperature （p0 ＝14.3 kN）

2.2 高溫環(huán)境下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)行為研究

如圖8 所示， 高溫環(huán)境下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)試驗(yàn)過程分為3 個(gè)過程： （1） 加熱過程， 對于試驗(yàn)溫度為70、 140、 180 ℃的螺栓連接結(jié)構(gòu)， 加熱時(shí)間分別選取為2×103、 3×103、 3.5×103s； （2） 松動(dòng)試驗(yàn)過程， 松動(dòng)試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為5×104， 試驗(yàn)機(jī)頻率為10 Hz， 試驗(yàn)時(shí)間為5×103s； （3） 冷卻過程， 在松動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后， 關(guān)閉加熱裝置， 等待螺栓連接結(jié)構(gòu)冷卻至室溫， 如圖8 所示。 為了便于后續(xù)分析討論， 將ΦT定義為松動(dòng)試驗(yàn)過程的松動(dòng)程度，ΦF定義為試驗(yàn)結(jié)束冷卻到室溫后， 螺栓連接的松動(dòng)程度，RF為整個(gè)試驗(yàn)過程中螺栓的松動(dòng)百分比。

圖8 溫度松動(dòng)試驗(yàn)過程松動(dòng)百分比變化（p0 ＝14.3 kN）Fig.8 Variation of looseness percent at temperature loosening test process （p0 ＝14.3 kN）

圖9 所示為不同溫度下螺栓螺紋OM 形貌。 可以看出， 螺紋牙頂附近區(qū)域的磨損最嚴(yán)重； 隨著螺栓工作溫度的增加， 接觸螺紋表面的磨損更嚴(yán)重。 其原因可能是： 溫度導(dǎo)致螺栓連接結(jié)構(gòu)的變形， 在溫度和橫向循環(huán)載荷的耦合作用下， 螺紋接觸界面之間的磨損更加劇烈。

圖9 不同溫度下螺栓螺紋OM 形貌（p0 ＝14.3 kN）Fig.9 OM morphology of bolt thread at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）： （a） 70 ℃； （b） 140 ℃； （c） 180 ℃

由圖10 （a） 可知， 溫度70 ℃下螺紋表面存在剝層并在I 區(qū)、 II 區(qū)觀察到明顯的點(diǎn)蝕形貌， 表明其磨損機(jī)制為疲勞磨損。 由圖10 （b） 可知， 溫度140℃下螺紋表面存在點(diǎn)蝕和剝層形貌， 損傷區(qū)域也是集中在螺紋牙頂附近； Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)都可以觀察到剝層和點(diǎn)蝕形貌， 說明Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)都發(fā)生了疲勞磨損。 EDX成分分析結(jié)果表明， 點(diǎn)B 處氧元素含量比點(diǎn)C 處高，說明點(diǎn)B 處發(fā)生氧化磨損。 因此， 疲勞磨損和氧化磨損為螺紋接觸界面之間的主要磨損機(jī)制。 由圖10 （c）可知， 溫度180 ℃下接觸螺紋表面存在剝層，并且還有犁溝和點(diǎn)蝕形貌； Ⅰ區(qū)損傷形貌主要為剝層形貌， 并且還存在點(diǎn)蝕形貌， 則說明Ⅰ區(qū)發(fā)生了疲勞磨損； Ⅱ區(qū)觀察到剝落坑和點(diǎn)蝕形貌， 所以Ⅱ區(qū)發(fā)生了疲勞磨損。 EDX 成分分析結(jié)果顯示， A、 B、 C 三點(diǎn)處元素含量差異不大， 故不能確定氧化磨損。 所以當(dāng)試驗(yàn)溫度為180 ℃時(shí)， 疲勞磨損為螺紋表面的主要磨損機(jī)制。

圖10 不同溫度下螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 分析結(jié)果（p0 ＝14.3 kN）Fig.10 SEM morphology and EDX analysis results of bolt threads at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）： （a）70 ℃； （b）140 ℃； （c）180 ℃

綜上所述， 相同預(yù)緊力情況下， 隨著螺栓連接工作溫度的增加， 螺紋表面的磨損程度更嚴(yán)重， 原因是螺栓連接工作溫度升高， 連接結(jié)構(gòu)變形不一致， 接觸界面滑移幅值增大， 在溫度和循環(huán)載荷耦合作用下，螺紋接觸界面之間的磨損更加劇烈。

圖11 所示為不同溫度下螺栓螺紋表面三維形貌和磨損深度。 可以得出， 螺栓連接工作溫度為70 ℃時(shí)， 螺紋表面的磨損整體較輕微， 只有部分區(qū)域的磨損比較嚴(yán)重， 但螺紋表面整體的磨損深度較淺； 當(dāng)螺栓連接結(jié)構(gòu)工作溫度增加時(shí)， 螺紋表面的磨損加劇，且表面磨損的深度更大。

圖11 不同溫度下螺栓螺紋表面三維形貌和磨損深度（p0 ＝14.3 kN）Fig.11 Three-dimensional topography of bolt thread surface and wear depth at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）：（a） 70 ℃； （b） 140 ℃； （c） 180 ℃； （d） wear depth profile of the first thread

圖12 所示為不同溫度下螺栓軸向力系數(shù)變化曲線和松動(dòng)程度。 可觀察到， 由于螺栓和被連接件材料存在熱膨脹系數(shù)差異， 被連接件熱膨脹系數(shù)比螺栓大， 所以螺栓軸向力變大， 且溫度越高， 軸向力增幅越大。 從圖12 （d） 中可以看出， 隨著溫度載荷的增加， 在交變載荷作用下螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)程度增大， 且冷卻到室溫后的松動(dòng)程度也增大。 其原因可能是： 連接結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)不同， 所以溫度載荷引起的熱變形不協(xié)調(diào)， 引起接觸界面發(fā)生更大的相對滑動(dòng)， 在溫度和橫向交變載荷的耦合作用下， 螺栓連接松動(dòng)程度越大。

圖12 不同溫度下螺栓軸向力系數(shù)變化曲線和松動(dòng)程度（p0 ＝14.3 kN）Fig.12 Variation curves of axial force coefficient and loosening degree at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）：（a） 70 ℃； （b） 140 ℃； （c） 180 ℃； （d） histogram of loosening degree

2.3 橫向載荷作用下2 種涂層螺栓連接的松動(dòng)試驗(yàn)研究

2.3.1 DLC 涂層螺栓／螺母連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)行為研究

如圖13 所示， DLC 涂層螺栓螺紋表面磨損區(qū)域主要集中在螺紋牙頂附近， 隨著工作溫度的增加， 螺紋表面磨損區(qū)域變大， 損傷程度更加嚴(yán)重。 第一圈工作螺紋表面的磨損最為嚴(yán)重， 其余兩圈工作螺紋的表面磨損程度相對輕微， 說明工作螺紋圈次增加， 螺紋表面磨損程度減輕。 此外， 結(jié)合圖4 分析可知， 在相同的室溫條件下， DLC 涂層螺紋接觸表面的磨損程度相對輕微， 這是由于DLC 涂層具有自潤滑效果，并且DLC 涂層有良好的耐磨性能［31］， 減輕了螺紋接觸界面之間的微動(dòng)磨損。

圖13 不同溫度下試驗(yàn)前后DLC 涂層螺栓螺紋OM 形貌（p0 ＝14.3 kN）Fig.13 OM morphology of DLC-coated bolt thread before and after test at different temperature （p0 ＝14.3 kN）：（a） before test； （b） RT； （c） 70 ℃； （d） 140 ℃； （e） 180 ℃

為了進(jìn)一步探究DLC 涂層螺栓螺紋表面的磨損機(jī)制， 使用SEM 和EDX 分析等微觀分析手段來分析第一圈工作螺紋表面形貌和化學(xué)成分， 如圖14 所示。圖14 （a）中的損傷形貌主要表現(xiàn)為剝層， 螺紋牙中部區(qū)域存在大小不一的剝落坑。 Ⅰ區(qū)和II 區(qū)觀察到剝層形貌， 并形成了剝落坑， 表明損傷區(qū)域主要的磨損機(jī)制為疲勞磨損。 同時(shí)， 螺紋表面僅有部分區(qū)域的DLC 涂層發(fā)生剝落， 螺紋表面多數(shù)區(qū)域涂層仍涂覆在基體上， 表明DLC 涂層具有良好的耐磨性能。 此外， 螺紋表面Ⅰ、 Ⅱ損傷區(qū)和點(diǎn)C 所在區(qū)域EDX 成分分析結(jié)果顯示， A、 B、 C 三點(diǎn)處氧元素含量差異不大， 所以不能確定是否發(fā)生氧化磨損。 因此在室溫條件下， DLC 涂層螺栓／螺母螺紋接觸界面之間的主要磨損機(jī)制為疲勞磨損。

圖14 不同溫度下DLC 涂層螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 成分分析（p0 ＝14.3 kN）Fig.14 SEM morphology and EDX analysis of DLC coated threads at different temperature（p0 ＝14.3 kN）： （a） RT； （b） 70 ℃； （c） 140 ℃； （d） 180 ℃

圖14 （b） 中， 螺紋牙頂附近區(qū)域損傷嚴(yán)重， 并且損傷形貌主要為剝層和犁溝。 I、 II 區(qū)觀察到DLC涂層剝落， 且在II 區(qū)中還可以看到明顯的犁溝。 因此， I、 II 區(qū)都發(fā)生了疲勞磨損， II 區(qū)還存在磨粒磨損。 螺紋表面Ⅰ、 Ⅱ損傷區(qū)和點(diǎn)C 所在區(qū)域EDX 成分分析結(jié)果顯示， 點(diǎn)A 和點(diǎn)B 主要為鐵元素和氧元素， 則A 和B 兩區(qū)域都發(fā)生了氧化磨損。 所以當(dāng)試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)， DLC 涂層螺栓／螺母螺紋接觸界面之間的主要磨損機(jī)制為疲勞磨損、 氧化磨損、 磨粒磨損。

圖14 （c） 中， 螺紋表面的損傷形式主要為剝層， 并且在牙頂附近區(qū)域存在犁溝和涂層剝落， 而螺紋牙底區(qū)域則存在剝落坑。 I、 II 區(qū)存在剝層和塑性流動(dòng)， 說明I、 II 區(qū)均發(fā)生了疲勞磨損。 EDX 分析表明， 點(diǎn)A、 B 處都存在鐵元素以及氧元素， 所以點(diǎn)A、 B 處發(fā)生了氧化磨損。 因此， 當(dāng)試驗(yàn)溫度為140℃時(shí)， 疲勞磨損、 氧化磨損為螺紋接觸界面間的主要磨損機(jī)制。

圖14 （d） 中， 螺紋牙頂區(qū)域存在涂層剝落， 在螺紋牙底還存在剝層和塑性流動(dòng)， 螺紋表面的損傷形式主要為剝層和犁溝， 并且有部分塑性流動(dòng)。 I、 II區(qū)均觀察到剝層以及塑性流動(dòng)， 同時(shí)II 區(qū)域還存在犁溝， 這表明I、 II 區(qū)均存在疲勞磨損， II 區(qū)還存在磨粒磨損。 此外， 螺紋表面Ⅰ、 Ⅱ損傷區(qū)和點(diǎn)C 所在區(qū)域EDX 成分分析結(jié)果顯示： A、 B 兩點(diǎn)都含鐵元素和少量的氧元素， 故氧化磨損在點(diǎn)A 和B 所在區(qū)域發(fā)生。 所以當(dāng)試驗(yàn)溫度為180 ℃時(shí)， 疲勞磨損、 氧化磨損和磨粒磨損為接觸螺紋表面的主要磨損機(jī)制。

綜上， 在預(yù)緊力相同的情況下， 試驗(yàn)溫度增加，接觸螺紋表面磨損加劇， 并且螺紋表面DLC 涂層因微動(dòng)磨損剝落的區(qū)域隨著試驗(yàn)溫度的增加而增大。 這主要是由于隨著試驗(yàn)溫度的增加， 雖然DLC 涂層摩擦因數(shù)會(huì)降低， 但磨損率提高， 更易磨損， 且熱穩(wěn)定性減弱， 可能會(huì)發(fā)生石墨化、 脫氫、 剝落等［32］， 在橫向交變載荷和溫度耦合作用下， 螺紋接觸表面的磨損程度加劇， 螺紋表面涂層更容易發(fā)生剝落。

如圖15 所示， 在室溫條件下， 螺紋表面的磨損整體較輕微， 且磨損區(qū)域主要在牙頂附近， 螺紋表面部分區(qū)域能明顯地看到凹坑形貌， 但磨損深度較淺。隨著溫度增加， 螺紋表面的磨損程度愈加嚴(yán)重， 表面磨損的深度加深。 當(dāng)溫度增加到180 ℃時(shí)， 螺紋表面會(huì)出現(xiàn)較長的溝壑狀形貌。 因此， 螺栓連接的溫度越高， 螺紋表面的磨損程度更嚴(yán)重， 螺紋表面磨損的深度越深。

圖15 不同溫度下DLC 涂層螺栓螺紋三維形貌和磨損深度（p0 ＝14.3 kN）Fig.15 Three-dimensional morphology of DLC coated bolt threads and wear depth at different temperature （p0 ＝14.3 kN）：（a） RT； （b） 70 ℃； （c） 140 ℃； （d） 180 ℃； （e） wear depth profile of the first thread

2.3.2 CrAlN 涂層螺栓／螺母連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)行為研究

如圖16 所示， 前三圈工作螺紋磨損區(qū)域主要靠近牙頂區(qū)域， 并且工作螺紋圈次增加， 螺紋表面磨損程度減小。 同時(shí)， 螺栓連接工作溫度增大， 接觸螺紋表面的損傷區(qū)域變大， 接觸螺紋表面損傷更嚴(yán)重。 此外， 結(jié)合圖4 可以看出， 在相同的室溫條件下，CrAlN 涂層螺紋表面的磨損更加劇烈。 其原因可能是： CrAlN 涂層表面較粗糙， 而無涂層螺母螺紋表面相對光滑， 在螺栓擰緊過程或試驗(yàn)過程中， 螺栓表面涂層的粗糙峰或微凸體被去除， 所以螺紋表面的磨損嚴(yán)重。

圖16 不同溫度下試驗(yàn)前后CrAlN 涂層螺栓螺紋OM 形貌（p0 ＝14.3 kN）Fig.16 OM morphology of CrAlN coated bolt thread before and after test at different temperature （p0 ＝14.3 kN）：（a） before test； （b） RT； （c） 70 ℃； （d） 140 ℃； （e） 180 ℃

圖17 所示為不同溫度下CrAlN 涂層螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 分析結(jié)果。 從圖17 （a） 可知， 螺紋牙頂損傷比較嚴(yán)重， 存在壓潰剝落的特征， 并且螺紋牙中部的區(qū)域能明顯看到磨損現(xiàn)象。 Ⅰ區(qū)的損傷非常輕微， 螺紋表面存在較小的磨粒； Ⅱ區(qū)同樣可以明顯地觀察到螺紋牙頂?shù)膲簼兟洌?螺紋表面材料發(fā)生脫落， 且伴隨有犁溝形貌。 因此， Ⅰ、 II 區(qū)發(fā)生了磨粒磨損。 同時(shí)， 螺紋表面Ⅰ、 Ⅱ區(qū)和點(diǎn)C 所在區(qū)域EDX 成分分析結(jié)果顯示， A、 B、 C 三點(diǎn)O 元素的含量差異不大， 故不能確定氧化磨損。 所以在室溫工況下， 磨粒磨損為DLC 涂層螺栓／無涂層螺母連接結(jié)構(gòu)螺紋接觸界面之間的主要磨損機(jī)制。

圖17 不同溫度下CrAlN 涂層螺栓螺紋SEM 形貌和EDX 分析結(jié)果（p0 ＝14.3 kN）Fig.17 SEM morphology and EDX analysis results of CrAlN coated bolt threads at different temperature（p0 ＝14.3 kN）： （a） RT； （b） 70 ℃； （c） 140 ℃； （d） 180 ℃

如圖17 （b） 所示， 螺紋牙頂附近損傷比較嚴(yán)重， 并且牙頂同樣也存在壓潰剝落的特征， 而表面其他區(qū)域存在剝層， 整體的損傷較輕微， Ⅰ、 II 區(qū)螺紋表面存在涂層剝落。 因此， I、 Ⅱ區(qū)均發(fā)生了疲勞磨損。 EDX 分析結(jié)果表明， A、 B、 C 三點(diǎn)氧元素含量差距不大， 不能判斷是否發(fā)生氧化磨損。 所以當(dāng)試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)， 疲勞磨損為螺紋接觸界面之間的主要磨損機(jī)制。

如圖17 （c） 所示， 螺紋表面存在剝層形貌， 在牙頂附近還有犁溝和明顯的塑性流動(dòng)現(xiàn)象， 螺紋表面分布著大小不均勻的剝落坑和一些點(diǎn)蝕形貌。 Ⅰ、 II區(qū)觀察到剝層形貌， 并且螺紋牙頂材料發(fā)生壓潰剝落， 則I、 II 區(qū)發(fā)生了疲勞磨損， Ⅱ區(qū)還存在明顯的犁溝， 所以Ⅱ區(qū)發(fā)生了磨粒磨損。 同時(shí)， A、 B、 C、三點(diǎn)區(qū)域EDX 成分分析結(jié)果表明， A、 B、 C 三點(diǎn)氧元素含量差距不大， 不能判斷是否發(fā)生氧化磨損。 因此， 當(dāng)試驗(yàn)溫度為140 ℃時(shí)， 疲勞磨損和磨粒磨損為螺紋接觸界面間的主要磨損機(jī)制。

如圖17 （d） 所示， 螺紋中部區(qū)域磨損程度比較嚴(yán)重， 螺紋牙頂處有犁溝， 且螺紋表面其他區(qū)域也存在剝層。 Ⅰ、 Ⅱ區(qū)觀察到剝層形貌區(qū)， 則說明Ⅰ、 Ⅱ區(qū)發(fā)生了疲勞磨損。 同時(shí)， A、 B、 C 三點(diǎn)區(qū)域EDX成分分析結(jié)果表明： A、 B 兩點(diǎn)的鋁元素和鉻元素含量相對較少， 鐵元素的含量相對較多， 故點(diǎn)A 和B處都發(fā)生了微動(dòng)磨損。 所以當(dāng)試驗(yàn)溫度為180 ℃時(shí)，疲勞磨損和微動(dòng)磨損為接觸螺紋表面的主要磨損機(jī)制。

綜上， 在預(yù)緊力相同的情況下， 試驗(yàn)溫度的增加， 接觸螺紋表面的磨損加劇， 并且螺紋表面涂層剝落的面積隨著試驗(yàn)溫度的增加而增大。 這主要是由于試驗(yàn)溫度的升高， 導(dǎo)致CrAlN 涂層磨損率增加， 并且摩擦因數(shù)增大［33］， 在橫向交變載荷和溫度耦合作用下， 螺紋接觸表面的磨損程度加劇， 螺紋表面涂層發(fā)生剝落。

如圖18 所示， 在室溫條件下， 螺紋表面的磨損整體較輕微， 只有部分區(qū)域的磨損比較嚴(yán)重， 且磨損的深度較小。 當(dāng)工作溫度升高時(shí)， 螺紋表面的磨損加劇， 磨損區(qū)域增大， 并且磨損的深度比室溫下更深，此外， 當(dāng)溫度增加到140 ℃時(shí)， 螺紋表面會(huì)出現(xiàn)較大的溝壑形貌和磨損區(qū)域。 因此， 隨著工作溫度的升高， 接觸螺紋表面的磨損更嚴(yán)重， 且磨損的深度更深。

圖18 不同溫度下CrAlN 涂層螺栓螺紋三維形貌和磨損深度（p0 ＝14.3 kN）Fig.18 Three-dimensional morphology of CrAlN coated threads at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）：（a） RT； （b） 70 ℃； （c） 140 ℃； （d） 180 ℃； （e） wear depth profile of the first thread

如圖19 所示， 在室溫條件下， DLC 涂層螺栓連接和CrAlN 涂層螺栓／無涂層螺母連接的防松效果較好， 其原因可能是： DLC 涂層具有較低的摩擦因數(shù)和良好的耐磨性， 而CrAlN 涂層表面摩擦因數(shù)較高，硬度較高且耐磨， 在與無涂層螺母配合時(shí)， 滑移現(xiàn)象在螺紋界面間不易發(fā)生， 所以也具有一定的防松效果。 隨著試驗(yàn)溫度的增加， 螺栓連接結(jié)構(gòu)松動(dòng)程度增加。 當(dāng)試驗(yàn)溫度為70 ℃， DLC 涂層和室溫時(shí)一樣，具有相對較好的防松效果， 而CrAlN 涂層螺栓／無涂層螺母連接和無涂層螺栓連接松動(dòng)程度相差不大。 當(dāng)溫度升高時(shí)， 由于熱膨脹不均勻引起的被連接件之間的熱變形不協(xié)調(diào)更嚴(yán)重， 在溫度和橫向交變位移載荷的耦合作用下， 螺紋表面磨損更劇烈， 螺栓連接的松動(dòng)程度越大。 相比普通螺栓連接， DLC 涂層螺栓連接則具有相對較好的防松效果， 而CrAlN 涂層螺栓／無涂層螺母螺栓連接在一定溫度時(shí)有相對較好的防松效果。

圖19 不同溫度下3 種螺栓松動(dòng)程度（p0 ＝14.3 kN）Fig.19 Loosening degree for three kinds of bolts at different temperatures （p0 ＝14.3 kN）

3 結(jié)論

（1） 螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)過程都可以分為2 個(gè)階段： 快速下降階段， 由于螺紋表面的粗糙峰被去除和螺栓連接結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形， 螺栓軸向力迅速下降； 緩慢下降階段， 由于材料的棘輪效應(yīng)， 連接結(jié)構(gòu)的塑性變形趨于安定極限， 接觸界面的微動(dòng)磨損螺栓軸向力緩慢下降。

（2） 隨著溫度的升高， 螺栓連接結(jié)構(gòu)因變形不一致導(dǎo)致構(gòu)件之間的相對運(yùn)動(dòng)加劇， 在相同橫向交變位移載荷下， 螺栓表面的磨損更加嚴(yán)重， 螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)程度增大。

（3） 溫度升高， DLC 涂層螺栓松動(dòng)程度增加，螺紋表面磨損程度更嚴(yán)重。 但DLC 涂層螺栓連接結(jié)構(gòu)整體上具有相對較好的防松性能。 主要原因是： 螺紋表面涂層因微動(dòng)磨損發(fā)生剝落， 剝落的涂層存在接觸副間， 可以減輕螺紋接觸界面之間的磨損。 疲勞磨損、 磨粒磨損和氧化磨損為螺紋表面的主要磨損機(jī)制。

（4） 溫度升高， CrAlN 涂層螺栓的松動(dòng)程度增加， 螺紋表面的磨損更加劇烈。 當(dāng)溫度上升到一定值時(shí)， 螺栓松動(dòng)程度無明顯差異。 主要原因可能是：CrAlN 涂層在溫度載荷下會(huì)產(chǎn)生一定量的Al2O3， 而一定量的Al2O3可以起到潤滑作用， 減輕螺紋接觸面之間的微動(dòng)磨損。 疲勞磨損和磨粒磨損為螺紋表面的主要磨損機(jī)制。