螺栓是一種典型的多缺口零件，其疲勞性能將明顯地受到螺栓的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料及制造工藝等多種因素的影響。與同樣材料的缺口件相比，其疲勞強(qiáng)度通常明顯偏低。

 

除螺紋外，影響螺栓疲勞性能的另外薄弱部位是螺紋與桿部的過(guò)渡處及螺栓頭部和桿部的過(guò)渡圓角處。由于截面的突然變化，在這些部位也存在較高的應(yīng)力集中。在此，我們列舉了影響螺栓疲勞特性的10大因素，請(qǐng)大家看以下圖1，以找到相應(yīng)的螺栓位置。

 

 

 

 

 

 

 

 

一、螺紋表面質(zhì)量

螺紋的表面粗糙度對(duì)螺栓的疲勞壽命影響很大。如螺紋為M6-1.0的40CrNiMo鋼制螺栓，其粗糙度由0.08～0.16降低到0.63～1.35時(shí)，疲勞強(qiáng)度下降33%；螺紋為M12-1.5的螺栓，其表面粗糙度由0.08～0.16降低到0.16～0.32時(shí)，疲勞強(qiáng)度下降21%。
    二、螺紋滾絲工序的影響

    滾壓螺紋會(huì)產(chǎn)生形變強(qiáng)化層和較高的殘余壓應(yīng)力，對(duì)阻止疲勞裂紋的萌生和早起擴(kuò)展起到很大的作用；同時(shí)，也會(huì)降低牙谷的表面粗糙度，因而有利于螺栓疲勞強(qiáng)度的提高。但是，如果滾壓螺紋后再進(jìn)行熱處理，就會(huì)使上述有利因素消失。所以從改善螺栓疲勞性能的角度考慮，應(yīng)在熱處理后滾壓螺紋。但此時(shí)存在另一個(gè)問(wèn)題，即螺栓特別是高強(qiáng)度螺栓經(jīng)過(guò)熱處理后其硬度通常較高，致使?jié)L絲模具壽命降低。此外，如果滾絲的質(zhì)量不夠好，在螺紋的表面或根部產(chǎn)生微裂紋或類似接觸疲勞的剝落現(xiàn)象，則改善螺栓疲勞性能的效果不明顯，甚至?xí)档推谛阅堋?/p>

三、螺母端面與螺紋距離遠(yuǎn)近

測(cè)試表明螺母端面距離起螺紋位置越近，就會(huì)導(dǎo)致螺栓的越早失效。這是因?yàn)槁菟ㄆ鹇菁y的位置通常來(lái)說(shuō)都是滾制最為粗糙的地方，存在更大的應(yīng)力集中。螺栓副的第一扣螺紋是應(yīng)力最為集中的，讓這第一扣螺紋靠近起螺紋的位置，會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降。所以，讓螺栓副的第一扣與起螺紋的地方有個(gè)2扣以上螺距的距離，會(huì)消除這個(gè)隱患。見(jiàn)下圖2：

 

 

圖2 螺母端面距離起螺紋位置的扣數(shù)與疲勞壽命之間的關(guān)系
螺紋牙谷形狀和半徑尺寸的影響。
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    四、螺紋牙紋形狀和尺寸
    螺栓受力時(shí)，螺紋牙谷處就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，其值在很大程度上取決于牙谷的形狀。改變牙谷的形狀，如螺紋的牙谷槽越平滑，應(yīng)力集中就越小，疲勞強(qiáng)度則越高。一般而言，平底牙谷的螺紋疲勞強(qiáng)度最低。如以圓形牙谷代替平底牙谷，螺栓的疲勞強(qiáng)度便可得到提高。螺栓的尺寸也對(duì)疲勞特性有影響，直徑越大，其疲勞強(qiáng)度越低；這對(duì)于螺栓螺紋也是同樣適用的。

五、螺頭底部的裂紋

疲勞裂紋通常在螺紋底部開(kāi)始萌生，可是也常常在螺頭底部開(kāi)始。在螺頭底部開(kāi)始萌生的裂紋通常產(chǎn)生的原因是螺頭過(guò)渡圓弧的直徑設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的（不當(dāng)?shù)倪^(guò)渡圓弧直徑引來(lái)的應(yīng)力集中），或者是螺栓被安裝在了一個(gè)傾斜的加持物上。一個(gè)很小的螺栓頭部和加持物（也可以理解為螺母端面）的夾角，譬如：2度，會(huì)對(duì)疲勞強(qiáng)度有著難以估計(jì)的負(fù)面影響。這種現(xiàn)象在過(guò)去經(jīng)常發(fā)生在被加持物為焊接件上（焊接件在焊接后通常會(huì)發(fā)生應(yīng)力釋放，結(jié)構(gòu)形狀會(huì)發(fā)生變化）。見(jiàn)下圖3：

 

 

圖3 螺栓頭部和螺母端面之間的角度差與疲勞壽命之間的關(guān)系

六、應(yīng)力的分布
落在螺母上的應(yīng)力分布是不均衡的，大量載荷其實(shí)是由頭幾扣來(lái)承載的。所以，大量的螺栓副疲勞都是發(fā)生在螺母的頭一、二扣的。所以我們可以看到，使得應(yīng)力平均分布在螺栓副結(jié)合的那幾扣的改進(jìn)，都會(huì)提高疲勞強(qiáng)度的。

七、鋼材冶金缺陷

有些螺栓是在冷鐓或冷拔后不再進(jìn)行切削加工，于是原材料的表面缺陷也就一直保留在成品零件的表面上。
螺栓表面的嚴(yán)重脫碳層是其上的一個(gè)薄弱區(qū)域，在冷鐓后的滾絲過(guò)程中，由于鋼材表面的變形量大，會(huì)把脫碳層大部分?jǐn)D壓到螺紋的頂部區(qū)域中。這種脫碳層的強(qiáng)度、硬度均很低，故極易發(fā)生磨損和脫扣（絲扣被剪壞）失效，并且極易成為疲勞裂紋源，造成早期疲勞失效。

八、改善螺栓副螺紋扣應(yīng)力分布

對(duì)于改善螺栓副螺紋扣之間的應(yīng)力分布，以來(lái)提高疲勞壽命；調(diào)查表明，也可以通過(guò)改變螺母的形貌來(lái)實(shí)現(xiàn)。在螺母與加持物接觸的端面上，制造一個(gè)凹槽，可以提高25%的疲勞壽命。這種改進(jìn)尤其適合于大尺寸螺栓。當(dāng)然，還有其它方式來(lái)使得螺栓螺母結(jié)合的應(yīng)力分布得以更加平均，譬如：將螺母的材質(zhì)改為其它材質(zhì)的，使得其彈性模量和螺栓的不同；再譬如：將螺栓和螺母的螺紋制作為不同螺距的；再或者，使用尖型的螺紋。

九、螺栓緊固到設(shè)計(jì)預(yù)緊力

在眾多的案例中，使得螺栓副疲勞壽命提高的一個(gè)最為有效的手段就是：將螺栓緊固到設(shè)計(jì)預(yù)緊力。通常情況下，一個(gè)緊固到位的螺栓僅僅承載5%（甚至更少）的動(dòng)載荷。因此，一個(gè)被緊固到位的螺栓副對(duì)于疲勞載荷的抵抗力是很強(qiáng)的。這是因?yàn)榻蛔冚d荷作用在螺栓上是很小的，所以在螺栓內(nèi)部產(chǎn)生的交變應(yīng)力也是很小的，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于螺栓可以承受的極限。當(dāng)發(fā)生疲勞失效的時(shí)候，其中的原因十有八九都是因?yàn)槁菟A(yù)緊力沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)值，進(jìn)而將螺栓暴露于彎矩應(yīng)力之下，進(jìn)而早早導(dǎo)致失效。