抗拉承載力是緊固件設(shè)計中最重要的性能之一，拉拔試驗(yàn)/保證載荷試驗(yàn)也是質(zhì)量控制中必不可少的檢測內(nèi)容。
無論螺栓還是螺母，國標(biāo)里面對于拉拔試驗(yàn)都規(guī)定了明確的試驗(yàn)方法和判定標(biāo)準(zhǔn)。
標(biāo)準(zhǔn)里面所用到的工裝也都比較特別。比如檢測螺栓拉拔力的時候，所用到的內(nèi)螺紋工裝硬度、強(qiáng)度都要比一般的螺母高得多，而且試驗(yàn)時的旋合長度也比螺母厚度大一些。
同理，在螺母的拉拔試驗(yàn)中，所用到的外螺紋工裝性能也比螺栓要好。而之所以這么做，主要是為了確保在檢測過程中試驗(yàn)工裝不至于先于被檢測緊固件破壞，如此才能檢測出緊固件本身的實(shí)際性能。
值得一說的是，檢測螺栓匹配螺母之后緊固件的整體性能，尚在標(biāo)準(zhǔn)之外。而這種形式也的確就是實(shí)際應(yīng)用情況。因此研究螺栓、螺母匹配之后的抗拉性能，對于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計和應(yīng)用十分必要。
今天小編來聊聊，螺栓+螺母的拉拔試驗(yàn)中，有可能出現(xiàn)的另一種破壞形式——螺紋滑扣破壞(或滑絲、滑脫)，如圖1所示。
圖1螺紋滑扣破壞
正如開頭所說，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了分別檢測螺栓和螺母性能的方法。
在力學(xué)性能方面，前者一般有拉伸試驗(yàn)(破壞性試驗(yàn))、保載試驗(yàn)(非破壞性試驗(yàn))，后者則只有保載試驗(yàn)(非破壞性試驗(yàn))。
螺栓的拉伸試驗(yàn)、合格的判定標(biāo)準(zhǔn)，一是必須斷裂在螺桿部位，二是破壞力必須達(dá)到相關(guān)要求。
不過，螺栓、螺母各自的檢測試驗(yàn)都符合要求就一定意味著，二者連接之后的整體也符合要求嗎?不見得。
一、螺紋滑扣破壞
根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，如果不是螺桿斷裂，螺栓與配套螺母連接之后的拉伸破壞力一般會相比標(biāo)準(zhǔn)拉拔試驗(yàn)折減10%左右，而所有試驗(yàn)的破壞模式無疑都是——螺紋滑扣破壞。
滑扣破壞和螺桿斷裂破壞的差別在于，螺桿斷裂破壞是肉眼可見的、可以提前發(fā)現(xiàn)并及時消除隱患的。
但是滑扣破壞過程是緩慢的——最外一圈螺牙先破壞，后面的螺牙在后續(xù)使用中逐漸破壞，而且由于螺牙在螺母內(nèi)側(cè)，其破壞之后難以被發(fā)覺。
問題是，緣何承載力會削弱這么多?
這個需要從受力機(jī)理和試驗(yàn)方法(分析試驗(yàn)方法時，主要是分析當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方法和螺栓配螺母之后的試驗(yàn)方法之不同)來分析。
二、螺紋滑扣機(jī)理
首先需要明白的是，表面上螺栓受拉力，但反映到螺紋上就是內(nèi)螺紋和外螺紋之間的擠壓力(圖2所示)，這種擠壓力會在螺紋及其根部對螺牙形成向下的剪切力，所謂“滑扣”指的就是螺紋發(fā)生了受剪破壞。
圖2螺紋之間受力分析
螺紋抗剪承載力可以用公式1表達(dá)：
FRd=τ×A公式1
τ指的是螺紋材料抗剪強(qiáng)度，A指的是內(nèi)螺紋和外螺紋旋合部分的螺牙受剪面積。
（一）影響因素：抗剪強(qiáng)度τ
材料抗剪強(qiáng)度的取值與產(chǎn)品形式無關(guān)，只與材料本身性能有關(guān)。
對于碳鋼螺栓來說，其抗剪強(qiáng)度可以取為抗拉強(qiáng)度的≈60%，螺母的抗剪強(qiáng)度可取為保載應(yīng)力的≈60%。
兩種試驗(yàn)方法所用螺栓在這一點(diǎn)上，并無差別，因此抗剪強(qiáng)度不是承載力削弱的影響因素。
（二）影響因素：內(nèi)螺紋和外螺紋旋合部分的螺牙切面面積A
這個面積計算公式為(以內(nèi)螺紋受剪為例)：
A=πnLeDm[1/2n+0.57735(Dm-Dp)]公式2
n指的是每英寸范圍內(nèi)的螺紋數(shù)量;
Le指的是旋合長度，圖3所示;
Dm指的是外螺紋的大徑最小尺寸;
Dp指的是內(nèi)螺紋的中徑最大尺寸。
圖3旋合長度Le
1、旋合長度的影響
在標(biāo)準(zhǔn)的螺栓拉拔試驗(yàn)中，所用到的內(nèi)螺紋工裝不僅強(qiáng)度高、硬度高，而且有效旋合長度Le不低于1倍螺栓直徑。
但是，與螺栓配套的螺母厚度一般只有螺栓直徑的80%。這就意味著，組裝完成之后，有效旋合長度Le是低于1倍螺栓直徑的。
根據(jù)公式2，螺栓匹配螺母的拉伸試驗(yàn)中，有效剪切面積本身就變少了。
2、螺母的影響
這里需要引入一個小編之前沒有提過的概念——螺母膨脹。
螺母發(fā)生膨脹的成因是：安裝完螺母之后或者拉伸試驗(yàn)中，螺母和被連接件或試驗(yàn)卡具之間會產(chǎn)生擠壓力(圖4所示)，螺母本身壁厚有限不足以產(chǎn)生足夠的面外剛度抵抗側(cè)壁變形。
圖4螺母與連接件/卡具之間的擠壓力
因此，這個“擠壓力”越大，螺母側(cè)壁越容易“失穩(wěn)”產(chǎn)生呈楔形的徑向擴(kuò)張，如圖5所示，這直接導(dǎo)致螺母下側(cè)的螺牙與螺栓螺牙接觸面減少，從而降低螺紋剪切面積A。
圖5螺母側(cè)壁下部徑向膨脹
并且，由于螺母螺牙和螺栓螺牙徑向錯開，導(dǎo)致螺牙“懸臂”傾向逐漸明顯，在螺栓軸向荷載作用下，螺牙根部不僅要承擔(dān)原有的剪力，也要額外承擔(dān)由此“懸臂”造成的彎矩，可以說此時的螺牙根部本不富裕的家庭雪上加霜，加速了螺紋破壞的到來。
3、硬度的影響
標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)用內(nèi)螺紋工裝硬度高于螺栓，但是配套螺母的硬度一般略低于螺栓。
硬度的不同導(dǎo)致的差別在于，當(dāng)工裝內(nèi)螺紋硬度高于螺栓，剪切力作用點(diǎn)和破壞處位于外螺紋齒根(如圖6右側(cè)紅線處)，當(dāng)螺母硬度與螺栓硬度相近時，剪切力作用點(diǎn)和破壞處位于內(nèi)、外螺紋之間(圖6中間黑色虛線處)。
圖6剪切面分布
雖然，表面上看，兩種情況的剪切面面積接近，但是當(dāng)一個完整的大剪切面(前者)換成兩個小剪切面(后者)之后，承載力必然是下降的。
這個觀點(diǎn)可以舉個例子說明：1個截面積100mm2的鋼棒，比100個截面積1mm2的鋼棒組合體承載力要高得多。
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