背 景
螺纹拧紧后，连接副会产生轴向夹紧力以夹紧被连接件，轴向夹紧力在拧紧后会有一定程度的衰减，合理的夹紧力衰减是可接受的，但较高的夹紧力衰减会造成连接副拧紧失效，如螺栓松动、滑移、甚至螺栓断裂。
那么，哪些因素会造成拧紧后的螺栓夹紧力衰减呢? 夹紧力衰减的机理是什么呢? 在设计、生产制造和拧紧时如何有效避免夹紧力衰减?
今天，螺丝君通过本篇文章和各位老铁分享下。
01 夹紧力损失机理
2.1 接触面内嵌
当连接件的微观表面不平整时，局部放大可以看到表面存在大量的凸起和凹坑。在螺栓拧紧产生的夹紧力作用下，接触面表面会相互挤压，这会导致不规则的凸起表面进一步变形，从而导致表面之间更加接近，这种粗糙表面上的微观凸起物的崩溃被称为“嵌入”或者“内嵌”。
接触面内嵌一般会发生在接触面之间，如螺栓头部和螺母底部的承压区，被连接件的分界面之间，如下图所示。
此外，螺纹之间也存在内嵌，如螺栓和螺母之间或螺栓和内螺纹之间。
那么内嵌量一般多大呢？根据相关研究，内嵌主要受表面粗造度影响。
对于磨削表面：
对于车削表面：
δmax为内嵌的最大量。hmax1和hmax2为相互接触表面的粗糙度。
内嵌会导致多大的夹紧力衰减呢？
松弛系数的计算公式如下：
其中Z是松弛系数，KB是螺栓的弹簧常数，KC是被连接件的弹簧常数，Z的含义是联接产生一个单位的总弹性变形量所需要的螺栓轴向预紧力。
预紧力的损失（ΔF）计算公式如下：
上式反应了产生δ的内嵌，轴向夹紧力的损失量。
因此，如何减少轴向夹紧力的衰减，就可以从松弛系数Z和内嵌量两个角度来优化了。螺栓的弹簧常数KB越小，被连接件的弹簧常数KC越小，Z越小，轴向夹紧力的损失（ΔF）则越小。
联接接触表面的粗糙度越小，δmax则会越小，预紧力的损失（ΔF）则越小。
2.2 材料蠕变
材料蠕变是指材料在恒温、恒定载荷长期作用下缓慢的产生不可恢复的塑性变形的一种现象。预紧后的螺栓始终处于拉伸状态，被连接件处于压缩状态，其零件的变化状态如下图所示，螺栓的伸长和和被连接件的松弛会造成预紧力的降低。
拉伸蠕变和压缩蠕变
为了降低连接件因蠕变导致的预紧力损失。可从两个角度优化，一是减低连接件的使用温度，高温下的零件蠕变速度更快。二是避免使用易蠕变的材料，橡胶、树脂等有机材料、锌合金、镁合金等材料，这些材料常温下就会发生蠕变，如果零件还承受压应力，这些材料会发生蠕变并导致螺栓拧紧一段时间后发生较严重的松动。
2.3 热膨胀
当螺栓与被联接件的热膨胀系数不同时，螺栓拧紧后，当联接系统的温度发生变化时，螺栓的轴向力也发生变化，如一个奥氏体不锈钢螺栓和碳钢制造的被联接件组成的联接系统，因为不锈钢的热膨胀系数较大，在高温下，螺栓会发生更大的膨胀，进而导致轴向预紧力降低。
再例如一个碳钢制造的螺栓和铝合金被连接件组成的联接系统（目前轻量化联接中铝合金应用广泛），因为铝合金的热膨胀系数高，因此轴向预紧力有增大的趋势，虽然夹紧力没有衰减，但可能会因为夹紧力增大导致支撑面压溃等失效。此外，温度的高低变化会导致联接系统的夹紧力一直发生变化。
而解决因为热膨胀导致的夹紧力变化的方法是尽可能采用热膨胀系数相近的材料。如铝合金的被联接件，使用温度相对较高时，可采用铝合金螺栓进行连接。下表给出了常用材料的热膨胀系数，供各位老铁在设计联接系统中参考。
2.4 接触面磨损
螺纹连接系统在振动载荷下，接触过程中会出现微动磨损，磨损会产生一些粉末。接触面磨损过程中，表面凸起的部分会逐渐被磨平，造成联接件的厚度会发生变化。
相关研究还发现轴向预紧力越小，其磨损量越大，轴向预紧力损失越大。
因此，为减少因微动磨损导致的夹紧力下降，可采用以下措施：使用相对耐磨的材料、增加接触面的面积、降低松弛系数Z（如采用较长的螺栓）。
2.5 承受外载荷
常见加载的螺纹连接系统中的载荷有剪切载荷、扭转载荷和拉伸载荷。相关研究表明，对夹紧力影响最大的是剪切载荷，扭转载荷次之，影响最小的是拉伸载荷。
下图为某个连接件承受横向载荷时夹紧力的变化，从轴力可以看出，从静置的最初阶段，夹紧力有明显的减低，其主要的原因为材料的内嵌。当加载横向载荷时候，轴力有明显的降低，而当卸载横向载荷后，螺栓的夹紧力恢复至原水平，这也说明该拧紧仍处于弹性阶段。
横向载荷造成夹紧力损失与载荷大小和被连接都一定关系。减少剪切载荷对夹紧力损失的方法即是改变载荷形式（如优化结构转化为轴向载荷）、对承受剪切载荷的连接副采用防松措施（如涂防松胶或采用自锁螺母）。
螺丝君经验与总结
L.S.ENGINEER Experience and Summary
（1）螺纹拧紧后，因为接触面内嵌、材料蠕变、热膨胀、接触面磨损、横向外载荷等影响因素，会导致连接的夹紧力有一定程度的衰减，合理的夹紧力衰减是可接受的，但较高的夹紧力衰减会造成连接副拧紧失效，如螺栓松动、滑移、甚至螺栓断裂。
（2）当夹紧力衰减较大时，应事先分析导致夹紧力衰减的主要因素，再针对该主要因素进行优化。如接触面内嵌量较大应优化表面粗造度，剪切载荷较大应采用防松措施。