螺栓螺母

螺纹配合广泛应用于各种零件的连接。但如果设计不当，生产工艺不好，也会造成滑牙、断裂等故障。

各位老铁可能会有这样一个疑问，在螺栓螺母的匹配过程中，谁会更容易出故障？

今天，螺丝钉君就通过详细的数据，研究一下孰强孰弱？设计过程中有哪些注意事项？

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01受力分析

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当螺栓和螺母拧紧时，扭矩将转化为轴向力，最终由相互啮合的螺纹（内螺纹和外螺纹）承受轴向力。

应力状态如下图所示，轴向力将转化为内螺纹和外螺纹的剪应力。

如果螺栓和螺母的材料完全相同，由于螺栓的受力面积相对较小，因此在相同的力作用下，螺纹更容易打滑和断裂。

那么，实际情况是怎样的呢？

我们需要数据来支持。

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02螺栓螺母的力学性能分析

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硬度是直接反映哪种材料更强或更弱的性能参数之一。

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

下表显示了螺母和螺栓的强度数据。

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；
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。

相比之下，螺母的硬度略低于螺栓，即螺栓的强度更高。

螺母硬度

螺栓硬度

那么，是不是螺栓的硬度和强度更高，在拧紧过程中更不容易损坏呢？

我们需要引入另一个力学参数——载荷保持力，它是反映螺纹抗剪切能力的重要参数。

检查时，将待检查的紧固件加载到规定的载荷值，暂停15秒后，检查手持件是否能从被检查部件上自由拧下；如果可以自由拧开，则证明螺纹强度良好；如果不能自由拧出，则证明螺纹强度弱。

下表显示了螺栓和螺母的承载能力要求。

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；
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。

从两组数据的对比来看，螺母的承载力高于螺栓，即螺母的抗剪能力高于螺栓。

虽然从材料强度来看，螺栓的强度略高于螺母。然而，在实际拧紧中，由于螺母的承载能力更高，螺纹的承载能力更强，螺栓通常首先被破坏。

螺母承载能力

螺栓承载能力

经常有些老铁会问，粗螺纹和细螺纹哪个承载能力更强？

螺丝钉君，还是通过数据来分析。

下表显示了细螺纹的载荷保持要求。

10.9级M10*1的螺栓保载力要求是53500N，10.9级M10*1.25的螺栓保载力要求是50800N，而10.9级M10*1.5粗牙螺纹的保载力为48100N（见上表）。

相比之下，螺纹的螺距越小，其承载能力就越强。

细牙螺栓的承载能力

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03螺纹设计中的注意事项

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1、要选择相应级别的螺纹进行配合。

当螺栓和螺母匹配时，通常的匹配原则如下表所示。

例如，当螺母的等级为8时，螺栓的最高等级只能为8.8，这可以确保螺母的承载能力始终大于螺栓的承载能力。

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2.用轻金属内螺纹连接螺栓时，应选择合适的配合长度并检查螺纹孔的强度。

铝合金的硬度一般为60-80 BHN，远低于配套螺栓的硬度。

因此，螺纹孔的一种常见失效模式是螺纹孔打滑，如下图所示。

当螺纹孔滑动时，返工和维修相对困难，因此在设计中应遵循一些规则。

如下表所示，铝镁合金零件的配合长度应达到2.0-2.7d，与钢螺母0.8-1d的配合长度相比有明显提高。

配合长度的增加可以有效防止螺纹孔打滑，即使连接副过载拧紧，螺栓也会首先失效，而不是内螺纹。

在设计好的螺纹孔批量使用之前，可以通过反复拧紧来验证螺纹孔的强度（具体方法在之前的文章中有详细介绍）。

在实验过程中，线不允许滑动或跳闸。当螺钉失效时，螺栓需要在螺纹处断裂，而新螺栓仍然可以轻松拧入。

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如何通过曲线看到螺纹失效模式

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当螺纹连接副拧紧失效时，常见的失效模式是螺栓断裂和螺纹滑移。两者的曲线有什么特点？

如图1中的红框所示，在拧紧的最后阶段，扭矩突然下降并接近零。这种失效模式一般为螺栓断裂。

如图2红框所示，在拧紧的最后阶段，扭矩下降相对缓慢，在扭矩下降的过程中，会伴随着扭矩的阶段性上升，最终扭矩一般高于零。这种失效模式一般是螺纹打滑。

05 螺丝君的总结

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1.为了便于维修和返工，螺母的设计承载力将高于螺栓的设计承载力，螺栓在过载和拧紧时首先失效。

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2.在设计螺栓-螺母连接时，应遵循相应的匹配标准，即螺栓的等级小于或等于螺母的等级。对于轻金属连接的内螺纹孔，螺纹啮合长度应满足一定的尺寸要求，可通过反复拧紧来检查螺纹孔的强度。

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3.螺纹连接副拧紧失效时，当拧紧力矩突然下降时，失效形式通常为螺栓断裂；当扭矩下降相对较慢，并伴有阶段性扭矩增加时，失效模式一般为螺纹打滑。

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