使用6.4节提出的螺栓连接疲劳试验方法，进行了不同载荷条件下的一系列螺栓连接疲劳试验，试样的典型失效形式如图6.10所示。由于微动的影响，接触面将产生磨损和塑性变形。接触面可以分为两个区域，即黏着区和滑动区。滑移区被一些黑色氧化层覆盖，这些氧化层是由磨屑堆积形成的致密第三体层，黏着力很强，通过超声波清洗也很难去除。在这个区域，也可以观察到一些塑性变形和犁沟状痕，疲劳裂纹也在该区域的边缘附近萌生。黏着区比滑移区更为平滑，只有一些轻微的塑性变形。为了更好地观察接触面的形貌特征，本书使用KEYENCE激光显微镜3D轮廓测量系统（VK-X250）来研究不同载荷条件下（k=1.0，1.5，2.0）接触面的表面形貌，观察黏着区和滑移区的3D轮廓，并测量区域的粗糙度。
图6.10 被连接件的典型失效形式
表面形貌的测量结果如图6.11所示。在相同的加载条件下，黏着区比滑移区更平坦。而随着参数k的增加（或者随螺栓预紧载荷的增加），接触面的不规则性逐渐减小。为进行定量分析，表面粗糙度Ra如表6.2所示。
图6.11 接触表面的三维形貌
（a）k=1.0的滑移区；（b）k=1.5的滑移区；（c）k=2.0的滑移区；（d）k=1.0的黏着区；（e）k=1.5的黏着区；（f）k=2.0的黏着区
表6.2 接触表面的粗糙度Ra
不同载荷条件下的疲劳失效如图6.12所示。随着参数k的增加，疲劳裂纹萌生位置逐渐远离孔中心，这种现象反映了应力集中和微动之间的竞争。当螺栓预紧力较小时，横向载荷主要通过螺栓传递到被连接件的螺栓孔位置。应力集中是影响螺栓连接疲劳性能的主要因素。而随着螺栓预紧力的增加，微动成为引起疲劳损伤的主要因素。该过程可以通过螺栓预紧力与螺栓连接所受横向载荷的比值来评估，通过参数k来表示。随着k的增加，微动作用逐渐增加，而应力集中的作用逐渐减小。
对于疲劳裂纹萌生行为的进一步讨论，本书使用了由Ruiz等提出的微动疲劳评估参数κ：(www.xing528.com)
κ=σtσnμδ （6.3）
式中，σt为接触面上的切向正应力；σn为接触压力；μ为摩擦系数；δ为滑移量。
图6.12 不同载荷条件下的疲劳失效（k=1.0，1.5，2.0）
参数κ可以预测裂纹的初始位置，并与试验数据非常吻合，但无法预测裂纹发生方向和疲劳寿命。使用FEM分析结果，在k=1.0，1.5，2.0的条件下，接触界面中参数κ的分布如图6.13所示。当k=1.0时，最大值出现在孔边缘，随着k的增加，κ的峰值朝拉伸一侧的接触区边缘移动。特别地，其分布相对于被连接件轴对称，也就是说，微动疲劳裂纹将在试件轴线两侧对称位置萌生，这与试验结果一致（见图6.10）。如图6.14所示，端口分析也显示了裂纹萌生位置的对称性。
图6.13 不同载荷条件下κ的分布
（a）k=1.0；（b）k=1.5；（c）k=2.0
图6.14 螺栓连接的典型断口形貌
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