【科普】螺栓连接结构的非旋转松动行为

01 螺纹连接松动的内涵

螺纹连接松动是一个传统的基础问题，狭义的松动是指内外螺纹沿着预紧力下降的方向发生相对转动，松动程度和内外螺纹的松动转角呈线性关系。然而，大量的理论研究和工程实践表明，预紧力才是保障螺纹连接接触刚度和可靠性的关键，螺纹连接很有可能在不发生旋转松动的情况下出现预紧力下降，从而威胁产品性能和可靠性能。广义的螺纹连接松动的内涵，即螺纹连接松动是指预紧力下降。基于这个定义，提出将螺纹连接松动分为两类，第一类是非旋转松动，即内外螺纹没有发生相对转动，但螺纹连接因为塑性变形、表面嵌入、蠕变、应力释放等因素导致预紧力下降；第二类是旋转松动，即内外螺纹由于受到振动、冲击等载荷的作用而产生相对转动，导致预紧力下降。

02 非旋转松动机理

非旋转松动主要和界面接触特性以及材料特性密切相关，界面接触特性主要包括表面嵌入、微动磨损和应力再分布，表面嵌入是表面微凸体的局部塑性变形，微动磨损是表面微凸体在小振幅振动下粘着物脱落，应力再分布是表面应力重新分布；材料特性主要包括蠕变、应力松弛和塑性变形，蠕变是材料内部应力没有超过屈服极限，材料因恒应力引起塑性应变累积，应力松弛是应力没有超过屈服极限但缓慢下降的行为，塑性变形是材料内部应力超过了屈服极限，它们都能导致预紧力下降。下表归纳了这 6 种因素产生非旋转松动的研究成果。

03 表面嵌入

螺纹连接的接触界面包括螺纹面、端面和连接面，在某一尺度下观察，通常是凹凸不平的表面轮廓。预紧力施加以后，即使没有超过材料的屈服极限，微凸体也可能被挤压变平，并发生局部塑性变形，局部塑性应变随着时间逐渐累积导致蠕变行为，引发预紧力下降。而且，在产品服役的过程中，螺纹连接不可避免地承受工作载荷，导致部分挤压的微凸体可能继续发生塑性变形，工作载荷消失以后，这些区域无法恢复到原来的接触状态，也会导致预紧力下降。表面嵌入造成的预紧力损失(简称表面嵌入损失)大约占初始预紧力的10%。

04 微动磨损

螺纹接触界面通常是凹凸不平的，预紧力加载以后，内外螺纹不可能完全接触，内(外)螺纹上的微凸体可能会嵌入到外(内)螺纹的凹形区。在周期性外力的作用下，内外螺纹将发生往复的微滑移运动，导致粘着物脱落，预紧力损失，称之为微动磨损损失。

微动磨损将随着振动周期的增加逐渐减弱甚至消失，且初始预紧力大小、纵向振幅和表面涂层类型都显著影响微动磨损导致的预紧力损失。

微动磨损导致接触应力分布和大小发生改变，进而影响磨损深度的分布，减少微动磨损的方法有增大预紧力，螺纹面涂层(例如 FPB、PTFE、MoS2 和 TiN)和施加锁紧装置，这些措施都可以减少内外螺纹的相对滑动，从而降低微动磨损和预紧力损失。

05 应力再分布

应力再分布是最近发现的一种导致非旋转松动的重要因素。巩浩等为了研究预紧力在横向振动条件下的衰退规律，建立了无螺旋升角的纯弹性有限元模型，仿真周期性横向振动，研究结果表明螺纹连接大约出现了 5%的初始预紧力损失。接触界面的应力分析表明，周期性横向振动导致螺纹面和端面的接触应力分布发生了变化，其积分形式表现为预紧力下降，称为应力再分布。应力再分布通常在一定的振动周期内结束，而且横向力越大，应力再分布导致的预紧力衰退越严重，应力再分布的持续时间也越短。

06 蠕变

尽管螺纹连接在预紧力和工作载荷的作用下没有达到材料的屈服极限，但是材料仍然可能因为恒应力而引起塑性应变累积，从而导致预紧力损失，这种现象称为材料蠕变，材料蠕变导致的预紧力损失简称为蠕变损失。蠕变损失是一种长期的预紧力衰退行为，它是螺栓、螺母、被压件、垫圈和涂层等综合蠕变的结果。软材料制成的垫圈和涂层是导致严重蠕变损失的主要原因，甚至超过了一半的初始预紧力，在实际的工程应用中应该引起重视。

07 应力松弛

应力松弛是指在预紧力和工作载荷的作用下，螺纹连接没有达到材料的屈服极限，但是应力随着时间逐渐减小，应变则保持不变的力学行为，称为应力松弛，应力松弛导致的预紧力损失简称为应力松弛损失。和蠕变损失类似，应力松弛导致的预紧力损失也是一种长期的预紧力衰退行为。研究结果表明，在常温条件下，应力松弛损失通常很小，不超过初始预紧力的 2%，但是，随着温度升高，应力松弛过程将逐渐加速，从而导致更严重的预紧力损失行为。

08 塑性变形

在周期性工作载荷的作用下，螺纹连接的部分区域可能超过了材料的屈服极限，从而发生周期性塑性变形。周期性塑性变形是一种不可逆的力学行为，将导致预紧力下降，称之为周期性塑性变形损失。

09 小结

总结非旋转松动的相关研究可以发现，螺纹连接在没有承受外部载荷的情况下，非旋转松动主要受表面嵌入、蠕变和应力松弛的影响，表现为长期缓慢的预紧力衰退行为。在这三种因素中，如果螺纹连接使用了较软材料的垫圈和涂层，则材料蠕变将引发主要的非旋转松动；如果螺纹连接的工作温度比较高，则应力松弛将导致较大规模的预紧力衰退。另一方面，当螺纹连接受到周期性外部载荷作用时，微动磨损、应力再分布和周期性塑性变形是影响非旋转松动的主要因素，表现为快速的预紧力衰退，周期性外部载荷的振幅越大，预紧力衰退越严重，且衰退的持续时间越短。在实际的工程应用中，上述六种因素导致的预紧力衰退通常不可避免，为了保障可靠的连接性能，可以采用增加拧紧力矩的方式抵消可能的非旋转松动。

螺纹连接松动机理和防松方法研究综述

[1] 巩浩, 刘检华, 冯慧华. 螺纹连接松动机理和防松方法研究综述 [J]. 机械工程学报, 2022, 58(10): 326-347+360.

Review of research on loosening of threaded fasteners

[2] Review of research on loosening of threaded fasteners [J]. Friction, 2022, 10: 335-359.