高强度螺纹紧固件是几乎所有形式的运输和工业机械装配中的关键部件。对于这些关键部件的测量和性能，行业公认的标准已经存在了几十年，但最近螺纹紧固件在服务和鉴定测试中的失败，使人们重新关注紧固件的头部和柄之间的关键区域。在汽车和航空航天应用的大直径(0.5英寸或更多)、高强度、外部扳手螺栓(六角头、12点等)中，已经高度分析了这个接缝，但对许多低于这个阈值的螺栓和螺钉却很少关注。

近期对欧洲标准的M5直径紧固件的最新资格失败带来了新的关注这个问题。航空航天工业一直关注机身结构的重量，机身建筑中使用的薄材料需要使用100度埋头冲洗头紧固件。这些薄型头部 - 以及其他低调的设计，旨在减轻航空航天，汽车和工业应用的重量 - 为设计有效的扭矩传递机制（内部或外部）而言，目前仍然具有独特的挑战，同时仍然保证头部 -小腿诚信。

紧固件标准开发组织和紧固件工程师将注意力集中在开发零件标准上，这些标准提供的属性(长度、直径、封头直径、封头高度等)可以方便和准确地测量，以确认符合形式和配合要求。不幸的是，在不破坏紧固件进行测量的情况下，很难准确测量紧固件柄的顶部和外部扭曲头部的内部凹槽或避雷孔的底部之间的临界应力区域。

甲共识必须如何计算头部强度比（HSR）以实现用于头到柄部接合处的最小可接受的抗拉强度和方法以及可测量的数据应该在计算中使用什么样的到达。

这个问题

在最近的近期评价航空航天螺钉的验证测试数据（100度埋头头，六瓣凹槽，螺纹到头部，钛合金Ti-P64001，阳极氧化，涂有钼二硫化物，并在环境温度下分类为900兆帕血管至350℃）发现，发现一批M5直径部件未能满足所需的拉伸试验限制，而是低于头部到柄部中所需的故障水平的所需的拉伸试验限制。通过调查，发现该部件以前一直符合不同航空航天螺钉的标准：PAN头，六叶凹槽，粗耐受正常柄，中长螺纹，钛合金，阳极氧化，涂有二硫化钼，在环境温度下分类为1,100兆帕斯卡至350℃。

简而言之，假定的类似标准用于不同的头部风格，不同的柄部配置和更高的材料强度。另外，由于头部样式和柄部配置不同，PAN头部具有比具有100度堆放头的紧固件具有多大不同的头部脚柄接合几何形状。鉴于这些设计和材料之间的差异，应使用哪种方法或数据通过类比来鉴定类似或不同的部件或评估给定的头部到柄几何的潜在拉伸强度？

设计不良的头部和凹槽结构可能导致紧固件无法满足抗拉强度要求，在头部和柄连接处的失效水平高于预期。

定义变量

紧固件头-柄连接处影响抗拉强度的变量可以限制在接口的有效几何形状上，而紧固件螺纹部分的抗拉强度可以基于螺纹本身的有效拉应力区域。我们必须定义直径用于计算有效的拉应力区域的部分的紧固件，因为它从一个螺纹区域过渡到一个无螺纹区域。对于给定的螺纹几何形状(例如，10-32UNJF)，当它过渡到无螺纹杆时，“有效直径”与从全螺纹部件过渡到紧固件头部底部时是不同的。

在螺栓，螺纹过渡到完全体直径（0.19英寸为我们的10-32 UNJF例子）。其结果是，发生在螺纹的中径的一个或线程到全身过渡下面两个线程最弱的拉伸应力区域中。螺距直径经常等同于坯料直径（无螺纹紧固件的直径前的螺纹轮廓被卷到基材）。

在螺纹连接到头部的紧固件的情况下，最小的拉应力区域通常发生在最后一个完整螺纹和头部底部之间的区域或螺纹到头部的过渡区域。在这里，有效拉伸应力直径可能与螺纹螺距直径相同(在我们10-32UNJF的例子中最小为0.1658英寸)，或者如果该区域被圆角轧制以缓解制造过程中积累的应力，它可能会略小。

这是显着的，因为头部到柄过渡的有效拉伸应力区域的差异对于全身螺栓的差异比对于螺纹到头螺钉都是不同的。使用螺栓过渡的较大直径或完全螺纹过渡的较小直径来计算柄部到头过渡和底部到内部凹陷之间的应力锥体或底部到内部凹陷之间的应力锥形或有效横截面积。

高强度强度的计算就变成了螺栓的有效拉伸面积与全螺杆直径或全螺纹螺钉的螺距面积的比较。理想情况下，HSR总是大于或等于1，因此紧固件的拉伸失效总是在或高于螺纹螺距直径的最小抗拉强度。这确保了头部与小腿接合处有足够的力量，以避免头部从紧固件上脱落和关节失效。

图1显示了全螺纹紧固件的螺纹轮廓(阴影区域)和头-柄接合区域的拉应力区域。请注意，在压头横截面上，应力区域从压头下直径(近似于螺纹螺距直径)开始，一直到凹槽底部最近的点。在这种情况下，隐窝实际上是十字形的横截面积最近的头-小腿接合处。为了与其他扣件凹槽驱动系统进行比较，我们将忽略凹槽两翼之间添加的微小材料量，只在横截面处根据机翼外径使用圆形面积。

计算HSR.

既然我们已经达成一致的标准用于计算高铁,是很重要的选择是否每维变量的最小值或最大值应该用于确定“最坏情况”场景,在该场景中,head-to-shank失败是最有可能在抗拉强度低于有效直径的螺距。我们已经确定，对于全螺纹紧固件，头部下的横截面积是由毛坯直径决定的，对于全阀体的紧固件，将使用较大的阀体直径进行计算。因此，我们应该使用最小下水头直径作为计算的基线。

看图2，很容易看到最大凹口深度应该用作计算的基线，因为它产生了在坯料直径和与凹口最近的交点之间的最小横截面积。通常，全螺纹紧固件不用于关键应用，在这些情况下，根据应用分析，通常允许HSR小于1是可以接受的。

凹槽几何形状的影响

当分析头-柄接合处的头部强度时，最后要考虑的因素是凹槽驱动系统本身的几何形状。十字形驱动系统，如1型(Phillips)、NAS33781(扭矩-集)和1A型(Pozidriv)，从顶部到凹槽底部的大部分凹槽深度都具有明确的十字形。在计算高铁时，为了便于计算，我们通常会忽略这个形状，而使用一个基本的圆形截面，该截面基于最接近头部下过渡半径交叉口的外翼直径。

如六瓣（Torx）和其他的直壁驱动系统，从紧固件头顶到凹槽的锥形底部具有恒定的外形。在这些情况下，仍然使用从头部过渡半径到与凹陷形状最近的交叉点的距离，除了最接近的交叉点通常是凹槽底部的圆形区域，在凹槽外形已经过渡的平面下方到一个圆形横截面。

与无螺纹柄紧固件通常用在更高的应力结构应用，并且在这些情况下的1或更大的HSR建议。理想的是，最大凹槽深度将浅到足以提供一个HSR大于1，特别是如果所述紧固件是在被认为是关键的或半关键的应用程序。虽然在图3的结构显示出在最大凹部深度低于或接近1的HSR，如果部分与凹部的深度更接近允许的部分标准的最小制造时，HSR将作为凹部的深度接近该最小极限增加。

虽然我们使用了100位沉默的航空航天紧固件进行讨论，但在初始设计评估期间，应评估任何其他头部配置（PAN头，填充头，按钮头等）的HSR。虽然这样的突出头通常具有较高的HSR，但是转向较轻的重量和更严格的公差已经开始需要更低的突出头高度设计，并且当进行头高度减少以适应更紧密的间隙时，可能并不总是考虑凹陷深度。

突出的头部结构可以实现更高的头部强度，凹槽底部从头部到小腿的连接处有很大的距离，如Fillister头部。(参见图4)。如果可以使用浅凹槽，如AS6305 MORTORQ螺旋传动或NAS33750燕尾槽，也可以在薄头部设计中提高头部强度。(见图5)。然而，在需要显著扭矩的螺栓应用中，驱动系统应该在驱动器和凹槽之间有一个非常高的接触面积，以容纳实现所需夹具负载所需的高扭矩。