螺栓配合螺母，到底孰強(qiáng)孰弱？

螺紋配合廣泛應(yīng)用在各類零件的連接。但如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，生產(chǎn)過程不佳，也會(huì)產(chǎn)生如滑牙、斷裂等失效。

各位老鐵可能會(huì)有這樣的疑問，螺栓和螺母在配合的過程中，誰會(huì)更容易失效呢？

今天，我們通過詳細(xì)數(shù)據(jù)，研究下到底孰強(qiáng)孰弱？設(shè)計(jì)過程中有哪些的注意事項(xiàng)？

01 受力分析

當(dāng)螺栓螺母在擰緊的過程中，會(huì)將扭矩轉(zhuǎn)化為軸向力，軸向力最后會(huì)由相互嚙合的螺紋（內(nèi)螺紋和外螺紋）承受。

受力狀態(tài)如下圖所示，軸力會(huì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)螺紋和外螺紋的剪切應(yīng)力。

如果螺栓和螺母材料完全相同，因?yàn)槁菟ǖ氖芰γ娣e比較小，在相同作用力的情況下，螺紋更容易滑牙和斷裂。

那么，實(shí)際情況是什么樣的呢？

我們需要用數(shù)據(jù)來支撐。

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02 螺栓和螺母的力學(xué)性能分析

最直接反應(yīng)材料孰強(qiáng)孰弱的性能參數(shù)之一是硬度。

通常，8.8級(jí)以上的螺栓和8級(jí)以上的螺母屬于高強(qiáng)度緊固件，為了保證零件的硬度，需采用合適的熱處理工藝。

下表為螺母和螺栓的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

尺寸小于M16的8級(jí)的螺母硬度為200-302HV，尺寸小于M16的8.8級(jí)的螺栓硬度為250-320HV；
尺寸小于M16的10級(jí)的螺母硬度為272-353HV，尺寸小于M16的10.9級(jí)的螺栓硬度為320-380HV。

從對(duì)比來看，螺母的硬度略低于螺栓的硬度，也即是螺栓的強(qiáng)度更高。

螺母硬度

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螺栓硬度

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那么，是不是螺栓硬度和強(qiáng)度較高，在擰緊過程中就更不容易被破壞呢？

我們需要再介紹另一個(gè)力學(xué)參數(shù)-保載力，保載力是反應(yīng)螺紋抗剪切力的重要參數(shù)。

檢測時(shí)，將被檢測緊固件加載至指定載荷數(shù)值，停頓15s后，看對(duì)手件能否自由的從被檢測零件中自由旋出，如果能自由旋出，則證明螺紋強(qiáng)度良好；如果不能自由旋出，則證明螺紋強(qiáng)度較弱。

下表是螺栓和螺母的保載力要求。

M10強(qiáng)度8級(jí)的螺母保載力要求數(shù)值為50500N，M10強(qiáng)度8.8級(jí)的螺栓保載力要求數(shù)值為33700N；
M12強(qiáng)度10級(jí)的螺母保載力要求數(shù)值為88500N，M12強(qiáng)度10.9級(jí)的螺栓保載力要求數(shù)值為70000N。

從兩組對(duì)比數(shù)據(jù)上看，螺母的保載力是均高于螺栓的保載力，即螺母的抗剪切能力高于螺栓的抗剪切能力。

雖然從材料強(qiáng)度上看，螺栓的強(qiáng)度略高于螺母強(qiáng)度。但在實(shí)際擰緊時(shí)，因?yàn)槁菽傅谋］d力更高，螺牙承受能力更強(qiáng)，這使得螺栓通常先被破壞。

螺母保載力

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螺栓保載力

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經(jīng)常也有老鐵會(huì)問，粗牙螺紋和細(xì)牙螺紋哪個(gè)承載能力更強(qiáng)？

螺絲君，還是通過數(shù)據(jù)來解析。

下表為細(xì)牙螺紋的保載力要求，

10.9級(jí)M10*1的螺栓保載力要求是53500N，
10.9級(jí)M10*1.25的螺栓保載力要求是50800N，
而10.9級(jí)M10*1.5粗牙螺紋的保載力為48100N（見上表）。

通過對(duì)比來看，螺紋的螺距越小，其承載能力則會(huì)越強(qiáng)。

細(xì)牙螺栓保載力

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03 螺紋設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

1、要選用對(duì)應(yīng)等級(jí)的螺紋進(jìn)行配合

螺栓和螺母配合時(shí)，其通常的配合原則如下表所示。

例如，當(dāng)采用的螺母等級(jí)為8級(jí)時(shí)，螺栓的最高等級(jí)只能是8.8級(jí)，這樣能保證螺母的載荷承受能力始終大于螺栓。

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2、輕金屬內(nèi)螺紋連接螺栓時(shí)，應(yīng)選用合適的配合長度并做螺紋孔強(qiáng)度校核

鋁合金的硬度一般在60-80 BHN，其硬度遠(yuǎn)低于配合的螺栓。

因此螺紋孔較常見的一種失效模式是螺紋孔滑牙，如下圖所示。

當(dāng)出現(xiàn)螺紋孔滑牙時(shí)，其返工和維修的難度相對(duì)較高，因此設(shè)計(jì)時(shí)需遵循一些規(guī)則。

如下表所示，鋁、鎂合金零件的配合長度要達(dá)到2.0-2.7d，相較于鋼螺母的配合長度0.8-1d，配合長度有了明顯的提升。

配合長度的增加可以有效的防止螺紋孔滑牙，即使過載擰緊的連接副，首先失效的是螺栓，而非內(nèi)螺紋。

設(shè)計(jì)的螺紋孔在批量使用前，可采用重復(fù)擰緊的方法來驗(yàn)證螺紋孔強(qiáng)度（具體方法之前文章有詳細(xì)介紹）。

實(shí)驗(yàn)過程中，螺紋不允許出現(xiàn)滑牙或脫扣，擰至失效時(shí)，要求螺栓斷裂在螺紋處，新螺栓仍可以輕松擰入。

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04 如何通過曲線看螺紋失效模式

將螺紋連接副擰至失效時(shí)，常見的失效模式有螺栓斷裂和螺紋滑牙，兩者的曲線分別有什么特征呢？

如圖1 紅框中所示，在擰緊的最后階段，扭矩出現(xiàn)突然跌落，并接近零，這類失效模式一般為螺栓斷裂。

如圖2 紅框中所示，在擰緊的最后階段，扭矩相對(duì)緩慢的降低，且扭矩跌落過程中，還會(huì)伴隨扭矩階段性升高，最終的扭矩一般是高于零，這類失效模式一般為螺紋滑牙。

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05 總結(jié)

1、為了便于維修和返工，螺母的設(shè)計(jì)保載力會(huì)高于螺栓的設(shè)計(jì)保載力，過載擰緊時(shí)，螺栓會(huì)首先失效。

2、設(shè)計(jì)螺栓螺母連接時(shí)，應(yīng)該遵循相應(yīng)的配合準(zhǔn)則，即螺栓的級(jí)別小于或等于螺母的級(jí)別。對(duì)于輕金屬連接的內(nèi)螺紋孔，螺紋嚙合長度應(yīng)滿足一定尺寸要求，同時(shí)可通過重復(fù)擰緊的方法來校核螺紋孔的強(qiáng)度。

3、螺紋連接副擰至失效時(shí)，當(dāng)擰緊扭矩出現(xiàn)突然跌落，其失效模式通常是螺栓斷裂；當(dāng)扭矩相對(duì)緩慢的降低，還伴隨階段性扭矩升高，其失效模式一般為螺紋滑牙。

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