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作者：Bill Eccles 来源：www.boltscience.com/pages/publishedarticles.htm 摘要：当螺栓被重复使用的时候，非常建议通过试验的方式确定每次紧固的力矩值。通过增加润滑可以减小摩擦系数，而获得一个相对稳定的扭拉关系。可是，就算是使用了润滑剂，磨损也不能完全避免，依旧建议通过试验来确定每次使用的力矩值。 紧固件失效对于产品而言会带来灾难性的后果。为了避免这种后果的发生，对产品严格和充分的测试是必要的。但是在某些应用场合中，充分的测试既不具备可操作性也不经济。这时，工程师往往需要运用分析能力、仿真能力、工程经验及主观判断力来保证失效不会发生。（这一点在机械学科格外重要） 螺纹紧固件失效往往存在于三种模式中: 1) 源自螺杆部分或者螺纹部分的失效；2）外螺纹滑扣；3）内螺纹滑扣。那么让我们一个一个地详细说说了： 源自外螺纹或者螺杆部分的失效 大多数紧固件的失效都是发生在外螺纹处的断裂。在静载载荷下，螺纹的强度是由应力面积所决定的。对于不同种类的螺纹，工程手册上通常都有应力面积的表格。 当螺栓被紧固后，由于螺杆伸长所带来的应力和作用在螺纹上的扭矩，螺杆承受着轴向应力。绝大多数螺栓紧固扭矩工艺确定都忽视了扭转应力，而把螺栓屈服强度的一部分（通常设计为75%）认为是作用在螺纹上的应力。对于高摩擦的情况，扭转应力加上直接轴向应力的合力会超过屈服极限，导致螺栓失效。而一个比较合理的方法是：要将扭转应力和轴向应力综合起来计算，得出一个应力值，再看这个平均应力是否到达屈服极限（以到达屈服极限的90%为最佳）。
高品质的螺栓通常被设计成螺栓光杆部分的直径小于螺纹部分。这样设计的原因是：使得在螺栓紧固时因预紧力产生的拉伸达到最大化。对于这样的螺栓，如果被过拧，其失效会发生在螺栓的光杆部分。 螺纹滑扣 在一些螺栓孔必须是低强度材料的时候，螺纹滑扣往往会成为问题。从通常意义来讲，一个可靠的设计是要避免内、外螺栓之间的滑扣的。如果螺栓在拧紧过程中发生断裂，显而易见地是需要更换螺栓的。螺纹滑扣一般而言是逐渐累积发生的；如果发生了螺纹滑扣，那么此螺栓副就是一个半失效的状态，它潜伏着，会带来灾难性的后果。
上面用电子显微镜拍摄的照片显示了一个将要发生滑扣的螺纹。这个螺栓副的界面在右手一侧，你可以从图片中看到第一扣螺纹变形最大。螺纹滑扣的产生机理很复杂，有螺纹弯曲的原因（高预紧力的情况下），也有螺母变形的原因（这会导致在剪切面上移动）。 要想精确地预测螺栓副的失效模式，这需要综合考虑非常多的因素。螺纹滑扣是一个复杂的现象。以下一些因素会对螺纹滑扣有着重要的影响： 1、 螺纹尺寸的变化，（譬如：螺纹外径、螺距、内径）对内、外螺纹滑扣强度有着巨大的影响； 2、 内外螺纹中拉伸和剪切强度的变化； 3、 螺母径向变形对螺纹剪切强度有影响。螺栓的拉伸力作用在螺纹上的时候，会产生斜楔作用，而正是这种斜楔作用会使得螺纹的剪切面积减小。 4、 浅的攻丝螺纹孔或者攻丝时候出现的喇叭口(bellmouthing)会对螺纹强度产生影响。 螺栓或者螺母的螺纹强度不能孤立地看待，而是要相互关联地考虑。预测螺纹强度的一个问题是：不考虑譬如螺纹弯曲现象、螺母变形或者喇叭口现象，都会导致得出一个乐观的预测。而实际的螺纹滑扣强度通常都比计算值来的低。 喇叭口 一个比较复杂的因素发生在攻丝的螺栓孔情况，这就是喇叭口。只要是攻丝出来的螺栓孔，多多少少都会在孔内有圆锥的形状。从孔的端面开始，这种喇叭形状会一直延伸到半个孔直径的样子。这种攻丝孔内锥台形状产生的原因主要是：攻丝时钻头进入材料的时候，钻头因为扭转和横向运动的不稳定而导致的。 攻丝螺纹孔内的喇叭口会降低有效螺纹高度，进而减少了外螺纹的有效剪切面积。这种现象尤其对短的螺纹配合和小螺距螺纹配合影响巨大。总而言之，喇叭口现象降低了外螺纹的剪切面积，螺纹越细，喇叭口现象带来的不良后果就更严重。 攻丝钻头尺寸对于螺纹强度的影响 在攻丝孔内，螺纹高度是由攻丝钻头的直径所决定的。为了减小失效风险，机械设计工程师通常非常谨慎，通常会选择螺纹孔内螺线高度的高百分比。可是，从生产的角度，越高百分比的螺纹高度会带来更大的攻丝力矩，增加钻头损坏的可能性。对于短啮合螺线，小直径尺寸的钻头对于装配强度有着巨大的影响。研究表明，对于常规螺纹啮合长度，只要螺线高度大于60%，攻丝钻的尺寸就不那么重要了。如果最低的螺线高度是允许的，那么攻丝成本就会被降得更低。 低比例螺纹高度会减小外螺纹的剪切面积。对于非常低的螺纹高度，螺纹间的剪切面不一定平行于螺纹轴线。这样的失效模式是非常难以预测的；其解决的办法是：保持一个合理的螺纹高度就可以了。 螺母变形（nut dilation） 紧固使得螺栓中产生拉力，这个拉力作用在V型的螺纹上，会产生斜楔作用，导致螺母有径向位移的发生。这种径向位移通常被叫做螺母变形，通常发生在螺套和普通螺母上。理论和实践对此的研究表明：当螺母的接触面延展的时候，螺母的上面会收缩；而这种变形带来的影响就是：内外螺纹的剪切面积都会减小。 螺纹弯曲 螺栓紧固过程中所产生的拉力会在内外螺纹之间导致一定程度的弯曲。螺纹弯曲降低了内外螺纹的剪切面积。决定螺纹弯曲的一个最主要因素是：内外螺纹的强度比。这个强度比是：螺母螺纹滑扣所需力/螺栓螺纹滑扣所需力。 |
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