塑性区拧紧的螺栓，承受外载荷为何不断裂？

了解紧固件拧紧历史的老铁应该清楚：以前只有一种拧紧方法，那就是扭矩法，拧紧的紧固件也都在线性区域。

甚至在今天，扭矩法拧紧，仍然是主要的拧紧方法。

随着对塑性区拧紧方法的研究深入，该拧紧方法在安全性和优越性上逐渐凸显，目前，在重要拧紧位置也逐渐广泛使用。

各位老铁，可能会有疑问，塑性区拧紧的螺栓，承受外载荷为何不会断裂？

今天，螺丝君通过本篇文章的分享，希望对各位老铁有一定启发。

螺栓拧紧过程中，大致可分为三个阶段：弹性阶段、塑性阶段和螺栓失效阶段。

弹性阶段是扭矩法拧紧的应用范围，螺栓处于弹性阶段，卸载后，螺栓可恢复至原状态。

塑性阶段是塑性区拧紧的应用范围，因为螺栓材料进入塑性区域，无法完全恢复至原状态。

螺栓失效阶段是螺栓经历最大载荷后，开始出现紧缩并最终断裂，该阶段螺栓失效风险高，通常拧紧不会达到该阶段。

作为最常用的两种拧紧方法，扭矩法和塑性区拧紧法，两者各有什么优点？扭矩法的主要优点就是简单，技术成熟。

下图，为某M10螺栓，摩擦系数在0.15-0.25之间，紧固扭矩误差为±10%的情况下，扭矩法拧紧和塑性区拧紧的轴力分布情况。

通过对比，可以发现，塑性区拧紧的轴向预紧力是扭矩法拧紧的1.42倍，最小值增加1.6倍，且轴向预紧力的波动性更小。

其中：Fy是螺栓拧紧的轴力，公式右边的第一项是螺栓的拉伸屈服载荷，由于公式右边的第二项是小于1的数，因此，螺栓的拧紧轴力Fy始终小于螺栓的拉伸屈服载荷，

其主要原因是螺栓拧紧时为复合应力状态，剪切应力的存在，会导致轴向应力未达到拉伸屈服应力前，复合应力就高于拉伸屈服应力了。

通过以上拧紧阶段的划分和受力分析，塑性区拧紧的螺栓，在拧紧过程会达到屈服状态。

而当连接副在承受外载荷时，外载荷的轴向载荷分量会加载在螺栓上，螺栓会被进一步拉伸，那么，为什么螺栓没有断裂呢？

螺丝君认为：主要有以下几个原因？

1) 拧紧过程中，螺栓同时承受扭矩和轴力，导致螺栓的应力状态是复合应力。拧紧结束后，在螺栓杆部产生的剪切应力会下降，螺栓承受的主要是轴向正应力。

因此，拧紧后的螺栓应力总体是下降的，螺栓可以承受外载荷带来的轴向应力增加。

2) 如下图所示，螺栓的拉伸屈服强度在S点，而螺栓的抗拉强度在B点，螺栓拉伸至S点进入屈服，而拉伸至B点才是断裂。

即使是螺栓到达屈服点，拉伸至断裂仍有一定空间，以8.8级螺栓为例，螺栓的屈服强度是640Mpa，而抗拉强度则可以达到800Mpa。

3）螺栓在拧紧至屈服时会产生应变硬化。什么是应变硬化呢？如下图所示，第一次加载，使应力超过屈服强度Y，达到Y'，然后卸载。

再次加载时，应力应变曲线的线性段会延伸到之前加载的最大载荷所对应的位置，屈服强度提高到Y'。同时，延展性会降低，断裂前允许的塑性变形减少。

在拉伸过程中，当应力超过屈服强度后，需要施加更大的载荷产生更大的应力，才会使材料发生更多的塑性变形。随着塑性应变的增加，材料变得更强、更难以变形了，因此这个阶段称为“应变硬化”。

螺栓在拧紧至屈服区域后，因为切应力的降低，螺栓会沿着Y'O'直线进行卸载，当承受轴向外载荷时，会沿着O'Y'进行加载。

由于应变硬化的作用，螺栓的屈服点会被提高，之前是Y点，现在是Y'，这会使得螺栓的承载能力会提高。

据相关研究表明，应变硬化会提高螺栓的疲劳极限，使得螺栓在动载荷下不易发生疲劳失效。

1）塑性区拧紧相对扭矩法拧紧的螺栓轴向预紧力有显著提高，轴向预紧力的波动性也更小。

2）螺栓拧紧后剪切应力降低、螺栓的屈服拉伸强度至抗拉强度有一定承载空间、塑性区拧紧螺栓的应变硬化会提升螺栓屈服强度。

以上是保证塑性区拧紧的螺栓，承受外载荷仍不会断裂的原因。

摘自《GAF螺丝君》