螺栓拉伸与扭转应力分析

（1）拉伸与扭转应力分析

在拉伸应力作用下，螺栓内任意一点上的拉应力σ1都是轴向的，压缩应力σ3则与轴向拉伸应力垂直，最大剪切力τmax与轴向成45°，见图10-1(a)。

当螺栓为杆径小于螺纹底径的弹性螺栓或螺纹底径小于杆径的常用螺栓时，弹性螺栓细杆径处和常用螺栓的螺纹底径为危险截面，危险截面上轴向拉伸应力最大。无缺陷螺栓的断裂首先从危险截面靠近螺栓的心部发生，并向外表面扩展，断裂前，塑性材料螺栓发生伸长和缩颈的变形较大；脆性材料螺栓的变形和收缩率很小。

安装或服役中螺栓发生过载塑性断裂时，由拉伸载荷产生的切应力在断裂之前使螺栓发生很大的变形，最后发生颈缩断裂，裂纹在颈缩截面心部沿最大切应力方向形核并扩展，与螺栓轴向约成45°。宏观断裂面上有明显剪切唇，颈缩明显。工程上以断面收缩率表示材料的塑性，断面收缩率越大塑性越好。

对脆性断裂螺栓，单向拉伸过载而发生断裂，断面大体上垂直拉伸方向，伴有少量的永久变形断裂，而断面收缩率很小。

（2）塑性断裂、脆性断裂螺栓的扭转应力分析

当螺栓受扭转应力载荷时，螺栓各点均处于纯剪应力状态，螺栓危险截面的圆周上任意一点受到的扭转应力最大，见图10-1 (b)。

螺栓发生扭转变形后断裂时，受扭转应力作用，在断裂前切应力引起的塑性变形宏观上不明显，断裂后断口齐平。单一扭转过载断裂常发生在垂直轴心线的危险横截面上，断裂源在危险横截面的表面，最终断裂区在心部，如果扭转时还受到弯曲应力，则最终断裂区偏离心部。

图10-1  螺栓在受纯拉伸(a)、扭转应力(b)及塑性、脆性

    断裂承受过载时的断裂特征示意图

螺栓脆性断裂时，危险截面的应力最大，断裂源在危险截面的表面缺陷或内部缺陷处产生并扩展，断口呈结晶状，常常有沿晶二次裂纹。

在螺纹紧固连接中，外螺纹承受的力是拉伸应力（轴向力），被紧固部件承受的力是压缩力，这两个力互为反作用力。这两力同外螺纹及内螺纹的紧固支撑面和螺纹与接触面的摩擦阻力结合，做出有用功，使螺纹紧固不松动。无论是旋拧螺栓，还是旋拧螺母都能达到紧固的目的。