《小小螺钉，功不可没》之螺纹联接 ——第三讲 螺纹失效原因分析

螺纹连接引起结构简单、拆装方便以及标准化程度高等优点被广泛应用于机械领域中，特别是汽车装配中。但是，由于人们从外观上认为螺栓体积小且非常廉价，常常忽视其重要性。在螺纹紧固件的制造、选型、使用操作及后续的维护等方面都缺少相应的重视，这使得螺纹紧固件存在很大的潜在失效风险，许多重大事故背后的直接诱因都是由于紧固件连接失效造成的。2012年4月某汽车公司召回6万余辆，其召回的主要原因是后桥螺栓拧紧力矩不足，存在螺栓断裂的风险； 2014年3月某汽车公司在中国市场召回23.2万辆，其召回原因是汽车发动机运转过程中，凸轮轴螺栓可能松脱甚至断裂；2014年5月某汽车公司在美召回14.1万辆，其召回的原因是气囊固定在方向盘总成上的两个螺栓出现松动。通过以上的数据统计分析可以看出，生活中，任何有螺栓连接的地方都有连接失效的危险，一旦发生失效，轻则机器停止运转，重则机毁人亡。那么是什么引起螺纹联接失效呢？

螺纹紧固件失效模式可以分为很多种，其中按照类型失效原因的不同主要分为以下三种：1）因载荷过大造成的螺纹连接失效2）因材料蠕变造成的螺纹连接失效3）松动引起的螺纹连接失效。在整车行驶的过程中，无论上述三种失效形式出现任何一种，随着时间积累都会引起被连接件发生相互错位，造成相关联部件失去原有的功能，进而引发整车失控引起严重的交通事故，造成重大的人员伤害和财产损失。因此，分析螺纹紧固件连接失效的原因并提出相应的解决方案是保证螺纹紧固件连接可靠的前提。

下面先简单论述一下第一种失效形式——因载荷过大造成的螺纹联接失效：螺栓连接包括铰制孔用螺栓连接和普通螺栓连接。其中铰制孔用螺栓连接主要依靠螺栓杆的抗剪强度来抵抗外部载荷，当外部剪切力或扭转力过大（超过螺栓杆的抗剪强度）时，螺栓会被剪断而失效。普通螺栓连接在拧紧过程中需要施加一定的扭矩（同等型号的螺栓比铰制孔用螺栓连接时施加扭矩大），拧紧过程中，由于拉伸应力的作用而承受正应力，同时由于端面摩擦力矩和螺纹间摩擦力矩的作用使得螺栓杆承受附加扭转应力，所以普通螺栓在拧紧过程中承受拉-扭复合应力的作用。通过查阅分析可知，一些螺栓扭矩参数表忽略了扭转应力的作用，直接简化为纯拉伸，而拉-扭复合与纯拉伸是两个截然不同的过程，这一点存在很大的安全隐患。在拉-扭复合的作用下螺栓开始伸长，导致配合螺母支撑面附近的螺纹承受很大的载荷，另外螺母被压缩也会引起载荷的集中效应。当外载荷继续增加时，螺栓继续被拉伸甚至超过了弹性极限，最终因塑性变形而产生不可恢复的变形，进而造成紧固轴向力下降，导致螺纹紧固件连接失效。

来源：机械科技风