螺栓配合螺母到底孰强孰弱

螺纹配合广泛应用在各类零件的连接。但如果设计不当，生产过程不佳，也会产生如滑牙、断裂等失效现像。

各位朋友可能会有这样的疑问，螺栓和螺母在配合的过程中，谁会更容易失效呢？

今天，通过详细数据，研究下到底孰强孰弱？设计过程中有哪些的注意事项？

一）受力分析

当螺栓螺母在拧紧的过程中，会将扭矩转化为轴向力，轴向力最后会由相互啮合的螺纹（内螺纹和外螺纹）承受。

受力状态如下图所示，轴力会转化为内螺纹和外螺纹的剪切应力。

如果螺栓和螺母材料完全相同，因为螺栓的受力面积比较小，在相同作用力的情况下，螺纹更容易滑牙和断裂。

那么，实际情况是什么样的呢？

我们需要用数据来支撑。

二）螺拴和螺母的力学能力分析

最直接反应材料孰强孰弱的性能参数之一是硬度。

通常，8.8级以上的螺栓和8级以上的螺母属于高强度紧固件，为了保证零件的硬度，需采用合适的热处理工艺。

下表为螺母和螺栓的强度数据。

1）尺寸小于M16的8级的螺母硬度为200-302HV，尺寸小于M16的8.8级的螺栓硬度为250-320HV；

2）尺寸小于M16的10级的螺母硬度为272-353HV，尺寸小于M16的10.9级的螺栓硬度为320-380HV。

从对比来看，螺母的硬度略低于螺栓的硬度，也即是螺栓的强度更高。

螺母硬度

螺拴硬度

那么，是不是螺栓硬度和强度较高，在拧紧过程中就更不容易被破坏呢？

我们需要再介绍另一个力学参数-保载力，保载力是反应螺纹抗剪切力的重要参数。

检测时，将被检测紧固件加载至指定载荷数值，停顿15s后，看对手件能否自由的从被检测零件中自由旋出，如果能自由旋出，则证明螺纹强度良好；如果不能自由旋出，则证明螺纹强度较弱。

下表是螺栓和螺母的保载力要求。

1）M10强度8级的螺母保载力要求数值为50500N，M10强度8.8级的螺栓保载力要求数值为33700N；

2）M12强度10级的螺母保载力要求数值为88500N，M12强度10.9级的螺栓保载力要求数值为70000N。

从两组对比数据上看，螺母的保载力是均高于螺栓的保载力，即螺母的抗剪切能力高于螺栓的抗剪切能力。

虽然从材料强度上看，螺栓的强度略高于螺母强度。但在实际拧紧时，因为螺母的保载力更高，螺牙承受能力更强，这使得螺栓通常先被破坏。

螺母保载力

螺拴保载力

经常也有朋友会问，粗牙螺纹和细牙螺纹哪个承载能力更强？

我们还是通过数据来解析。

下表为细牙螺纹的保载力要求，

1）10.9级M10*1的螺栓保载力要求是53500N，

2）10.9级M10*1.25的螺栓保载力要求是50800N，

3）而10.9级M10*1.5粗牙螺纹的保载力为48100N（见上表）。

通过对比来看，螺纹的螺距越小，其承载能力则会越强。

细牙螺拴保载力

三）螺拴设计的注意事项

要选用对应等级的螺纹进行配合

螺栓和螺母配合时，其通常的配合原则如下表所示。

例如，当采用的螺母等级为8级时，螺栓的最高等级只能是8.8级，这样能保证螺母的载荷承受能力始终大于螺栓。

轻金属内螺纹连接螺栓时，应选用合适的配合长度并做螺纹孔强度校核

铝合金的硬度一般在60-80 BHN，其硬度远低于配合的螺栓。

因此螺纹孔较常见的一种失效模式是螺纹孔滑牙，如下图所示。

当出现螺纹孔滑牙时，其返工和维修的难度相对较高，因此设计时需遵循一些规则。

如下表所示，铝、镁合金零件的配合长度要达到2.0-2.7d，相较于钢螺母的配合长度0.8-1d，配合长度有了明显的提升。

配合长度的增加可以有效的防止螺纹孔滑牙，即使过载拧紧的连接副，首先失效的是螺栓，而非内螺纹。

设计的螺纹孔在批量使用前，可采用重复拧紧的方法来验证螺纹孔强度（具体方法之前文章有详细介绍）。

实验过程中，螺纹不允许出现滑牙或脱扣，拧至失效时，要求螺栓断裂在螺纹处，新螺栓仍可以轻松拧入。

四）如何通过曲线看螺纹失效模式

将螺纹连接副拧至失效时，常见的失效模式有螺栓断裂和螺纹滑牙，两者的曲线分别有什么特征呢？
如图1 红框中所示，在拧紧的最后阶段，扭矩出现突然跌落，并接近零，这类失效模式一般为螺栓断裂。

如图2 红框中所示，在拧紧的最后阶段，扭矩相对缓慢的降低，且扭矩跌落过程中，还会伴随扭矩阶段性升高，最终的扭矩一般是高于零，这类失效模式一般为螺纹滑牙。

五）的总结

1)为了便于维修和返工，螺母的设计保载力会高于螺栓的设计保载力，过载拧紧时，螺栓会首先失效。

2)设计螺栓螺母连接时，应该遵循相应的配合准则，即螺栓的级别小于或等于螺母的级别。对于轻金属连接的内螺纹孔，螺纹啮合长度应满足一定尺寸要求，同时可通过重复拧紧的方法来校核螺纹孔的强度。

3)螺纹连接副拧至失效时，当拧紧扭矩出现突然跌落，其失效模式通常是螺栓断裂；当扭矩相对缓慢的降低，还伴随阶段性扭矩升高，其失效模式一般为螺纹滑牙。