紧固连接的螺栓为什么会松动

螺栓是多个行业和应用的首选紧固件，原因很简单，它们易于拆卸。然而，这也使得螺栓容易松动和失去预紧力。

根据应用的不同，螺栓松动会产生深远的影响。一个松动的螺栓可以使整个生产工厂陷入停顿，并使公司损失数千美元，而在其他应用中，松动的螺栓可能会造成重大的安全隐患。

失效的主要原因和后果，取决于螺栓连接的目的、环境，通常也取决于行业。

例如：石化行业主要关注腐蚀问题，而疲劳和振动松动通常是次要问题；另一方面，汽车行业会将松动和腐蚀列为两个主要问题；结构钢行业的主要问题是接头滑移和腐蚀；航空航天业可能会首先关注疲劳影响。

那么，螺栓松动的原因是什么？从广义上讲，主要有两个原因：旋转松动和非旋转松动。

旋转松动

旋转松动本质上是指螺栓由于冲击、振动或动态载荷而松动。即使是轻微的旋转也足以使螺栓连接失去其所有载荷，这是螺栓松动的最常见原因。

旋转松动是导致轴力衰减的另一种形式，主要表现为内外螺纹之间在松开方向上发生了相对转动，我们可以通过标注色标来确认有没有发生旋转松动。

为了防止螺栓旋转松动，需要消除连接部件之间的滑动或至少降低到临界水平以下。这可以通过增加轴向预紧力、增加夹紧部件之间的摩擦或降低循环载荷（例如冲击、振动或循环热载荷）来实现。

另一种常用方法是增加螺纹之间的摩擦。胶水或粘合剂是一种有效的增加摩擦的方法，但在拆卸螺栓时，干燥的胶水可能导致难以拆卸。

此外，增加螺纹之间的摩擦会降低特定扭矩下可实现的预紧力。锁紧螺母等也是一种常用增加螺纹之间摩擦的方法。

非旋转松动

非旋转松动是由三种机制引起的：沉降、蠕变和松弛。当由于动态载荷而发生沉降时至关重要。当接头受到动态工作负荷带来的应力增加时，夹紧材料会发生永久变形。

如果螺栓连接中的应力没有超过其屈服强度，螺栓连接的大部分部件在释放后将恢复形状。接触面中的一些材料，如油漆，可能会永久变形。

如果材料沉降，即使只有几微米，螺栓的拉伸也会减少，并导致预紧力损失。

蠕变是一种永久性变形，是由于长期暴露于低于接头中材料屈服强度的高应力下而发生的。在高温应用中更为严重。

松弛是指材料的微观结构在接头内进行重组，在一段时间内将现有的弹性变形转化为塑性变形。与沉降或蠕变不同，夹持长度不会改变，这使得检测更加困难。

测量预紧力损失的一种方法是在运行一段时间后测量螺栓长度，并在拧紧后立即与螺栓长度进行比较， 然而，这不会检测到松弛，这使得它更成问题。

疲劳失效是螺栓和夹紧零件的永久性损坏或变形。它是由于预紧力损失导致接头开口引起的。

避免疲劳的关键是良好的设计，近年来，由于许多连接的需求的增加和轻质材料使用的增加，设计变得越来越重要。重要的是，不仅要关注螺栓的抗拉能力，其他参数也很重要，例如弹性和刚度。

正确的接头设计是实现高预紧力的同时，还应保持夹持物体高摩擦水平，从而在整个寿命使用期间具有高防滑性。随着性能的提高和接头重量的减轻，其他失效机制变得越来越重要。旋转松动和非旋转松动的机制在轻量化设计中越来越常见。

根据螺栓的应用以及预紧力损失的原因，通常有多种设计来优化螺栓连接。

在存在热载荷的情况下，可以通过选择具有相等热膨胀系数的材料来优化接头。为了最大限度地减少沉降并在运行过程中保持高预紧力，可以降低接触面之间的粗糙度。减小孔径或齿形表面等措施有助于最大限度地减少相对位移。

一般来说，一个好的螺栓连接由非常有弹性的螺栓和非常坚硬的夹持部件组成，可通过不同方法实现这一点。一种方法是设计具有较长的夹持长度；也可以通过使用更多更小的螺栓来更改设计。

总体而言，实现最佳螺栓连接涉及考虑多个变量和设计选项。