一台在内燃机上服役的缸盖螺栓，长期处于反复受拉的状态。受结构限制，它的尺寸不能加大，能做的只有提高强度和抗拉疲劳性能。这并不是个别现象，现代设备中的螺栓大量工作在变载荷下，抗拉疲劳寿命因此成为衡量螺纹联接件质量的关键指标之一。工程实践表明，疲劳破坏集中发生在应力集中的少数部位，而要延长寿命，需要从规范理解、材料选择、加工工艺到装配控制的整套体系入手，任何单一措施都不足以解决问题。

先厘清两个容易混淆的概念：疲劳断裂与延迟断裂。螺栓的延迟断裂多数源于表面电镀引入的氢导致的氢致损伤，与疲劳断裂机理基本无关。就疲劳本身而言，钢的抗拉强度在约1200MPa以内时，疲劳强度随强度和硬度提高而提高；超过约1200MPa后，疲劳强度不再提高，延迟断裂抗力反而急剧下降。机械制造用钢以中碳合金钢为主，调质状态下使用，抗拉强度大多在800～1000MPa。提高强度不难，难的是强度上去之后寿命上不去——疲劳破坏与延迟断裂，正是机械制造用钢高强度化、长寿命化的两道坎。

一、先弄懂规范：载荷与寿命指标是怎么定的

不同用户、不同环境下联接件的寿命差异很大，要评价寿命，必须先把试验条件统一，其中***核心的是载荷。

***载荷方面，ISO和我国规范对σb≥1200MPa等级以上的螺栓，把疲劳试验***载荷规定为螺栓***小抗拉破坏载荷的46%，这个比例就叫载荷系数K，合金钢凸头螺栓取0.46。规范对不同直径的螺栓规定了***小破坏载荷标准值，它既是静拉强度的验收依据，也是疲劳试验的加载依据，即Pmax等于***小抗拉载荷乘以K。

***小载荷由载荷比R决定，R为***小载荷与***载荷之比，规定R=0.1。

寿命指标也有统一要求：在规范规定的抽样样品中，***小循环次数不小于4.5×10⁴；样品中超过13×10⁴的，计算平均值时只按13×10⁴计。

理解了K值的含义，选材时就不会犯机械套用的错误——这一点在下面会看到具体例子。

二、选材与热处理：强度、塑性与缺口敏感性的平衡

GB/T 3098.1—2000规定，σb≥1200MPa的螺栓才有疲劳性能要求。之所以只对高强钢提这个要求，是因为高强钢强度提高的同时，塑性储备明显不如中低强度钢；把这个要求拿去和强度更高、塑性又好的镍基合金、钛合金比，显然不合适。常见的选择是40CrNiMo、30CrMnSi这类合金钢。

用高强度材料未必得到高疲劳寿命，关键看K值是否匹配，两个方向各有一例。

一个是INCONEL718。这种镍基合金强度可达1600MPa以上。以M6螺栓为例，按规范确定的疲劳试验载荷为11.01kN，对应的静拉破坏载荷为23.93kN；而INCONEL718实际静拉破坏载荷可高达35kN。若仍以11.01kN作Pmax，实际只相当于其静拉破坏载荷的31%，寿命值自然好看，却没有真实反映材料的疲劳水平。

另一个是30CrMnSiNi。这类高强材料缺口敏感性极高，做抗拉疲劳试验时寿命值很低，根本不宜用作有抗拉疲劳要求的螺纹零件。

钛合金的情况介于两者之间。Ti6Al4V的静拉破坏载荷与30CrMnSi相近，但同样载荷水平下疲劳寿命达不到规范要求，须把载荷水平降至40%（K取40%）；对Ti21523这类合金，K要降到36%。不过按材料性能的一般规律，同等静力强度下钛合金螺栓的疲劳性能通常优于钢制螺栓，K值偏低是否合理，仍应结合试验数据研究，不宜简单照搬。

结论是：既要静拉强度高，又要抗拉疲劳寿命高，必须综合考虑材料的强度水平、塑性储备和缺口敏感性来选材。

热处理同样关键。高强度螺栓调质回火时，处于高温回火区域容易受硫、磷等杂质元素影响，这些元素在晶界偏聚会引发脆性断裂，硬度在35HRC以上时脆性倾向更严重。有疲劳要求的螺栓，回火工艺和杂质含量都须从严控制。

三、工艺强化：让破坏从薄弱环节转移出去

未强化的螺纹联接件，抗拉疲劳破坏部位的分布大致是：65%发生在与螺母联接的***扣，20%发生在螺纹与光杆的转变处即螺纹收尾处，15%发生在螺栓头与螺杆的过渡圆角处。根本原因只有一个——这些部位应力集中程度过高。这组数据的前提是整个联接件的金属流线未被破坏。

针对这些薄弱点，有效的强化手段有以下几种。

***，采用MJ螺纹。MJ螺纹与普通螺纹的区别在外螺纹小径d1和牙根圆角半径R：d1比普通螺纹大，牙根圆角半径也更大，应力集中因此明显减小。规范对R有硬性要求，Rmax=0.18042P，Rmin=0.15011P（P为螺距），普通螺纹则无此要求，牙根甚至可以是平直段。这一改动大幅改善了小径处的抗拉疲劳性能，航空航天器螺栓普遍采用MJ螺纹。

第二，滚压螺纹。冷作硬化使表层产生残余压应力，金属纤维走向合理且不被切断，疲劳强度比车制螺纹高30%～40%；若热处理后再滚压，表面得到强化并形成残余压应力层，表面疲劳极限可提高70%～100%。这个工艺还有材料利用率高、生产率高、成本低的好处。

试验数据能说明工艺组合的效果。试验采用30CrMnSiA材料的MJ6螺栓（标准GJB 121.2.3，6×26），疲劳载荷Pmax=10.1kN、Pmin=1.01kN。对比多种工艺组合后发现，热处理后滚螺纹、再冷滚螺栓转角处圆角r的方案抗拉疲劳性能***；冷挤r对尺寸要求不严，技术条件只限定变形量上限。

第三，严格控制收尾尺寸。螺纹与光杆的过渡区是重要疲劳源，滚丝轮设计制造时必须按标准严格修磨收尾处，滚丝时严格控制滚丝位置。

值得注意的是一个规律：只采取MJ螺纹、滚压螺纹、收尾控制这三项措施后，疲劳断裂会全部转移到螺栓转角处。所以还要对转角r做冷挤强化，这是提高螺栓整体抗拉疲劳寿命的***一环。

四、装配环节：消除弯曲应力，用足预紧力

制造出来的螺栓再好，装配不当也会前功尽弃。

一是避免附加弯曲应力。设计、制造、装配不良会造成偏心载荷，偏心载荷在螺栓中引起附加弯曲应力，会大幅降低疲劳强度。结构上应做到：螺栓沉孔角度只允许0°～0.5°的正偏差，不允许负偏差；支承面平整并与螺栓孔轴线垂直；六角头一类安装孔的倒角符合相应标准规定。

二是合理预紧。理论和实践都证明，在螺栓和被联接件刚度不变的前提下，恰当增大预紧力对抗拉疲劳性能有明显改善——这正是螺栓预紧应力可以高达（0.7～0.8）σs的原因之一。预紧力靠定力扳手或预应力指示垫圈控制，并要保持不减退。预紧应力的一般取法：一般机械σp为（0.5～0.7）σs，高强度联接σp取0.75σs。这里要区分两个量：预紧应力是装配控制指标，作用是降低螺栓实际承受的载荷幅；46%的K值是疲劳试验的加载水平。两者分属不同范畴，并不矛盾，应用中应分开对待。近年还出现了把螺栓预紧到屈服点、使其在塑性域工作的联接方法，可参阅丸山一郎的论文《塑性ねじ域缔结》（《机械の研究》40卷No.12，1988）。对重要的抗疲劳联接，应通过不同预紧应力下的疲劳寿命试验，确定实际可用的预应力值。

五、结语

从选材、热处理、MJ螺纹、滚压与冷挤强化、收尾控制，到弯曲应力的消除和预紧力的准确施加，提高螺栓抗拉疲劳性能没有捷径，只能走系统化的综合措施路线。文中部分措施已经过实际应用验证，部分经验数据和结论，如钛合金K值的合理取值、塑性域拧紧的适用边界等，仍有待理论上进一步探讨和试验支持。对工程人员来说，理解规范背后的载荷逻辑，识别疲劳破坏的转移规律，在每个环节守住细节，才能真正把螺栓的疲劳寿命做上去。

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