螺纹有效旋合长度对螺栓拉力试验结果的影响

螺栓（含螺钉、螺柱，下同）在产品结构中，起到连接、固定和强化等作用，其承载能力直接关系产品结构的稳定和可靠。螺栓在使用时，其头部、杆部和螺纹端部都起到了承载的作用。要想确定每个部位是否符合要求，最直接的检测方式就是进行螺栓成品拉力试验。GB／T 3098.1-2010中的拉力试验程序，对螺纹有效旋合长度的最小值作出了规定，对最大值却没有要求［1］。笔者经过分析认为，当螺纹有效旋合长度超过一定限度时，螺纹在加载夹具中的受力面积增加，应力相应减小，使一些本来可以在拉力试验中发现的螺纹质量缺陷和隐患，因此而被隐藏，造成试验结果与真实情况存在差别。

1 螺栓在拉力试验中螺纹受力情况分析

1.1 螺栓拉力试验的试验方法

通过模拟螺栓的实际使用状况，施以额定的力值，观测螺栓形变，以此确定其是否达到了自标的性能等级。具体的方法为：如图1所示（L为螺纹有效旋合长度，F为拉力），将螺栓头部固定，将螺栓螺纹端拧入内螺纹夹具，在纵向施加与之性能等级相对应的拉力（最小拉力载荷）。当力值到达时，螺栓不得脱扣和断裂［1］。

图1 螺栓拉力试验示意图
Fig.1 Sketch of bolt tensile test

1.2 试验中螺纹的受力情况分析

螺栓螺纹所处的位置不同，受力情况是不一样的。

1.2.1 未旋入内螺纹夹具部分的螺纹

由图2（d为外螺纹大径，d1为外螺纹小径，P为外螺纹宽度，S为外螺纹受力面，F为剪切应力）可见，外螺纹小径截面积作为了承受应力的主体，而未旋入内螺纹夹具部分的螺纹，可以视为外螺纹小径的延伸，其底部宽度P与外螺纹小径连成一体，为螺栓承载和抵抗受力形变做出了一定贡献。

图2 螺纹受力示意图
Fig.2 Sketch of thread stress

1.2.2 旋入内螺纹夹具部分的螺纹

由图2还可以看到，除了在1.2.1节中分析的受力情况外，外螺纹还受到了来自内螺纹接触面S施加的相对于外螺纹小径d1的剪切应力F。外螺纹小径d1与外螺纹的连接面积，即外螺纹的宽度P，成为了承受剪切应力F的唯一应力面积。也是因为这一应力面积的存在，才使得载荷通过螺纹被转移到了外螺纹小径截面积上，使其成为了承受应力的主体。

2 螺纹有效旋合长度对拉力试验结果的影响分析

2.1 螺纹有效旋合长度与剪切应力的关系

通过以上分析可以得出，螺纹有效旋合长度决定了承受剪切应力F的应力面积。在剪切应力F（即试验拉力——最小拉力载荷）不变的情况下，螺纹有效旋合长度与承受剪切应力F的应力面积成正比关系，与其面积上所承受的剪切应力成反比关系。

2.2 螺纹有效旋合长度对拉力试验结果影响的试验验证

为了验证以上的分析结论是否正确，笔者设计并实施了一组试验。在力学性能和外形尺寸抽样检测均合格的同一批次螺钉中，随机抽取了5个作为试验样本。

螺钉型号为GB／T 65-2000规定的开槽圆柱头螺钉，规格为M6mm×25mm，螺距1mm，性能等级4.8，最小拉力载荷8 440N。

将5个全螺纹螺钉样本分别以不同的有效旋合长度旋入内螺纹夹具中，施加拉力载荷直至其破坏失效。内螺纹夹具硬度为55HRC，拉伸速度为5mm·min-1。试验结果见表1。

表1 螺纹有效旋合长度对其承载能力的影响
Tab.1 Influences of effective lengths of thread engagement on load-carrying capacity

从表1所示的试验结果可以得出：

（1）在最小拉力载荷值以内，螺钉螺纹有效旋合长度与承载能力成正比关系。

（2）当螺钉螺纹有效旋合长度不足时，承载能力会因为螺纹脱扣而降低。这就意味着，当螺钉螺纹存在缺陷时，即使其螺纹旋合长度符合要求，也可能会因为螺纹提前脱扣而失效。

（3）从螺钉4，5的试验情况可以看出，只要符合螺母的强度选配原则［2］，使用一个公称高度≥0.5D或公称高度≥0.8D的螺母，均能使螺钉承载其最小拉力载荷。而选择公称高度≥0.8D的螺母，可以有效地防止螺钉出现脱扣失效。

（4）标准中要求测定抗拉强度时旋入夹具内的螺纹有效旋合长度≥1d［1］，其远高于单个螺母的螺纹有效长度，如果满足这一条件，即使螺纹存在缺陷也不大可能通过脱扣失效而反映出来。

2.3 螺栓拉力试验的目的性

通过拉力试验，不但要确定所采用的原材料是否符合要求，更重要的是，还要确定螺栓的制造工艺过程是否符合要求。螺栓的制造工艺过程中，存在着许多影响其承载性能的不利因素。如选材和冷加工不当造成外表面形成微裂纹、热处理不当导致螺纹的脱碳层加深、化学防锈处理不当形成氢脆影响区等［3］。受此影响，螺栓的头部、杆部和螺纹端部3处有可能同时出现不良的缺陷或隐患，也有可能只出现在其中一处。拉力试验的目的，一定要达到客观反映螺栓各部位真实的承载性能。

2.4 螺纹有效旋合长度对拉力试验结果的影响

在试验时，如果不对螺纹有效旋合长度加以限制，就意味着螺纹受力面积（扣数）可以随意的增加，直接导致单位面积所受应力大大减少。这样就造成一些只存在于螺纹部分的缺陷或隐患被隐藏，得到了一个看似合格的试验结果。

3 失真的试验结果对螺栓使用造成的质量事故隐患

螺栓在很多情况下是和螺母配合使用的。两者的旋合联接方式决定了在拧紧状态下总是存在松动的趋势。为了防止松动的出现，以往的设计除了加装弹性垫圈，还有很多是采取加装螺母的解决办法。加装螺母不但起到了较好的防松动作用，也因为增加了内螺纹扣数，使螺纹受力面积也得到相应增加。这对于螺纹存在缺陷的螺栓来说，是有利的，大大降低了螺纹脱扣事件的发生。然而，随着新型防松螺母的不断出现，以及装配工艺对拧紧力更为精确的控制，使加装螺母这一防松方式的采用逐渐减少。减少了螺母的数量，就等于减少螺纹受力面积，增加了有效旋合长度内螺纹所受应力。在这种情况下，如果采用的是因为失真的试验结果而得出合格结论的螺栓，就会使螺纹脱扣失效事件的发生率大为增加。相对于螺栓失效的其他形式，由于脱扣是逐渐发生的，很难及时发现，从而增加了造成事故的危险性［2］。

4 结语

GB／T 3098.1-2010在螺栓的制造和验收上，具有很强的规范性。笔者认为，标准中对“螺纹有效旋合长度”的最大值未作限定（而其最小值也存在值得商榷之处），不利于螺纹质量缺陷和隐患的发现，由此可能会导致螺纹承载能力试验结果失真。至于怎样的限定是合理的，限于笔者的研究条件和水平，该课题目前尚无法进行。笔者相信，该课题的深入研究，对标准的完善是有意义的。