【案例分享】微动摩擦学在紧固连接研究中的应用

微动摩擦是介于滑动和滚动之间的一种基本摩擦运动，微动发生基本的条件：

• 振动环境（机械振动、流体运动、热交换、人体运动等）
  

• 接触面间（紧配合/间隙配合）
  

• 幅度非常小的相对运动（一般在微米或亚微米量级）
  

微动的特点：

• 原位接触：表面损伤难以直接检测
  

• 隐蔽性强：损伤过程隐蔽，危害大（疲劳寿命降低30~80%）
  

• 复杂性高：涉及粘着、磨粒、氧化和疲劳四种磨损机制
  

据统计约90%的飞机构件的疲劳破坏起始于微动损伤（寿命降低：10%~80%）,引起大量的停机维修，甚至发生空难事故！（来源：北大西洋公约组织航空研究报告，1975）

连接件间的微动

图2 不同连接件间存在的微动形式

根据螺纹接触面的受力分析，振动条件下，微动磨损是螺栓连接松动的原因。

图3 螺纹接触面的受力分析

螺纹界面微动磨损是切向与径向微动复合的双向复合微动磨损。

图4 双向复合微动磨损

从微动摩擦学的角度来分析，螺栓连接的摩擦界面均可能产生微动损伤（微动磨损、微动疲劳、微动腐蚀）。

图5 微动磨损的基本运行模式

微动磨损：接触表面的相对位移由接触副外界振动引起的微动，接触副只受局部接触载荷，或承受固定的预应力；

微动疲劳：接触表面的相对位移由一接触副承受外界的交变疲劳应力引起的变形而产生的微动；

微动腐蚀：是指在腐蚀介质（如海水、酸雨、腐蚀性气氛等）中发生的微动。

微动运行存在三个区域：部分滑移区、滑移区和混合区（混合区是裂纹产生的最危险区域，它必须具备在微动过程中有相对运动状态的改变）

图6 微动运行存在三个区域

微动疲劳寿命大大低于常规疲劳，寿命甚至降到常规疲劳的30%，甚至更低。对于微动疲劳，交变应力对寿命的影响十分显著，应力水平越高，微动疲劳寿命越低，微动疲劳的S~N曲线呈“C”曲线型。

图7 微动疲劳的S~N曲线

微动疲劳的损伤区磨损机制（对车轴钢）主要表现为磨粒磨损、氧化磨损和疲劳磨损：

不同于常规疲劳，微动疲劳的裂纹萌生于次表层，裂纹源常伴随杂质颗粒或第二相。

微动疲劳裂纹萌生区应力水平大大高于常规疲劳，微动疲劳的萌生表现出不同的特征。

微动疲劳裂纹的扩展通常分为三个阶段：

阶段I—裂纹扩展受接触应力控制，主裂纹同时与独立扩展的表面倾斜裂纹沟通；

阶段II—裂纹扩展受接触应力和疲劳应力共同控制，扩展角度转向垂直接触表面方向；

阶段III—裂纹控制仅受疲劳应力控制，扩展行为与常规疲劳一致，其扩展方向垂直于接触表面。

图8 微动疲劳裂纹的扩展的三个阶段

微动疲劳的理论分析表明，不同微动疲劳模式，接触区应力分布不同，裂纹萌生位置存在差异，微动疲劳寿命也不同，尤其是承受多轴复杂应力时。

螺栓微动损伤的失效分析：某轨道交通专用桥吊杆螺栓发生断裂

图9 螺栓微动损伤的失效分析流程

根据检测结果，两种检测方法中硅Si、锰Mn、硫S、磷P、铬Cr、镍Ni、铜Cu含量均符合规范《GB/T 3077-2015》的要求。H元素的测定结果为＜0.00006%, 符合规范要求。

图10 化学元素分析结果

送检样品的拉伸性能符合规范《YB/T 036.7-1992》的要求；冲击性能和硬度均符合规范《YB/T 036.7-1992》的要求。

图11 力学性能测试结果

叉形耳板锚杯晶间为先析铁素体，其他为回火屈氏体，不太正常。叉耳裂纹处微观金相为回火屈氏体，组织状态正常。

图12 进项组织分析

裂纹源区呈台阶状，明显的多裂纹源，且呈现线源。

明显的裂纹源区、扩展区，裂纹萌生于次表层，即距离表面30~50μm。在扩展区看到明显的疲劳辉纹，同时发现有微小的二次裂纹，说明螺杆在服役中承受较大的疲劳应力。

图13 微观断口形貌分析

图14 微观断口形貌分析-疲劳裂纹分析

微观组织（TEM）分析

• 位错组态呈现胞状特征，且非常细化；
  

• 出现明显的位错塞积现象，位错密度非常高。
  

• 符合微动疲劳的特征。
  

图15 微观组织（TEM）分析

梯形螺纹Tr190×14在轴向力F=2200kN和弯矩M=140kNm作用时的等效应力。

最大等效应力位于第一圈啮合螺纹附近根部次表层区域（裂纹萌生位置），大小为749MPa。

图16 螺纹连接有限元分析

• 螺杆断裂的机理为（拉弯）微动疲劳断裂。
  

• 螺杆受到异常较大的附加弯矩和竖向载荷，螺纹根部应力大及其幅值高是引起吊杆疲劳断裂的主要原因。

建议

• 优化螺杆设计(提高设计标准)，较大的减小短螺杆的拘束度，降低螺杆受到的附加弯矩。
  

• 通过螺纹几何参数优化（例如增大过渡圆弧直径）和表面处理，降低螺纹根部的接触应力，提高螺杆的疲劳寿命。
  

• 提高承受交变载荷的螺杆的表面粗造度设计要求