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螺栓連接：強(qiáng)度、滑移系數(shù)、扭矩系數(shù)檢測

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發(fā)布時(shí)間：2025-07-29 06:29:20 更新時(shí)間：2025-07-28 06:29:20

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測中心

螺栓連接：強(qiáng)度、滑移系數(shù)、扭矩系數(shù)檢測

螺栓連接作為機(jī)械結(jié)構(gòu)和工程領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的連接方式之一，其性能的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命。螺栓連接的失效可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果，因此對螺栓連接的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格檢測至關(guān)重要。這些核心性能參數(shù)主要包括：連接強(qiáng)度（反映螺栓抵抗拉斷或剪斷的能力）、抗滑移系數(shù)（衡量連接接頭在承受剪切力時(shí)抵抗滑動的能力）以及扭矩系數(shù)（連接預(yù)緊力與施加扭矩之間的比例關(guān)系，直接影響預(yù)緊力的控制精度）。對這些參數(shù)的精確檢測與評估，是確保螺栓連接滿足設(shè)計(jì)要求、保障工程結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

檢測項(xiàng)目

螺栓連接的檢測主要圍繞以下核心項(xiàng)目展開：

1. 強(qiáng)度檢測：
- 拉伸強(qiáng)度： 檢測螺栓材料或螺栓連接在軸向拉力作用下的最大承載能力，直至斷裂。
- 剪切強(qiáng)度： 檢測螺栓連接在垂直于螺栓軸線方向剪切力作用下的最大承載能力。
- 保證載荷： 驗(yàn)證螺栓在持續(xù)承受規(guī)定載荷下不發(fā)生塑性變形的能力。
- 頭部堅(jiān)固性： 評估螺栓頭部在承受特定載荷時(shí)抵抗變形或斷裂的能力。

2. 抗滑移系數(shù)檢測：
- 這是針對高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的關(guān)鍵檢測項(xiàng)目。通過試驗(yàn)測定連接接頭在承受剪切力時(shí)，接觸面之間從完全靜止?fàn)顟B(tài)到發(fā)生相對滑移瞬間的最小摩擦阻力與螺栓預(yù)緊力之和的比值（即抗滑移系數(shù)）。該系數(shù)直接影響連接的抗剪承載力和結(jié)構(gòu)剛度。

3. 扭矩系數(shù)檢測：
- 扭矩系數(shù)（K）定義為施加在螺母或螺栓頭上的扭矩（T）與由此產(chǎn)生的螺栓軸向預(yù)緊力（F）之間的比例常數(shù)，即 T = K * F * d（d為螺栓公稱直徑）。檢測該系數(shù)對于精確控制螺栓預(yù)緊力至關(guān)重要，確保連接達(dá)到設(shè)計(jì)的夾緊力，避免過擰（導(dǎo)致螺栓斷裂或連接件壓潰）或欠擰（導(dǎo)致連接松動失效）。

檢測儀器

完成這些檢測項(xiàng)目需要專業(yè)、精密的儀器設(shè)備：

1. 萬能材料試驗(yàn)機(jī)： 這是進(jìn)行螺栓拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、保證載荷及頭部堅(jiān)固性等強(qiáng)度測試的核心設(shè)備。其應(yīng)配備精確的力值傳感器和位移傳感器，并配有適合夾持螺栓和連接試樣的專用夾具（如拉伸夾具、剪切夾具）。試驗(yàn)機(jī)需滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對精度、加載速率和控制方式的要求。

2. 抗滑移系數(shù)試驗(yàn)裝置： 通常由以下幾個(gè)部分組成：
- 專用加載框架： 用于固定試件并施加剪切力。
- 高精度測力傳感器： 測量施加的剪切載荷。
- 位移測量裝置（如電子引伸計(jì)或位移傳感器）： 精確測量連接板之間的相對滑移量。
- 液壓或伺服電動加載系統(tǒng)： 控制加載速率，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)或規(guī)定速率的加載。

3. 扭矩-軸力測試系統(tǒng)： 這是專門用于測量扭矩系數(shù)（K）的儀器。其核心組件包括：
- 高精度扭矩傳感器： 直接測量施加在螺母或螺栓頭上的扭矩（T）。
- 高精度軸向力傳感器： 直接或間接測量螺栓產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力（F）。
- 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)： 實(shí)時(shí)同步記錄扭矩（T）和軸力（F）數(shù)據(jù)，并自動計(jì)算扭矩系數(shù)（K = T / (F * d)）。系統(tǒng)通常集成了擰緊驅(qū)動裝置（電動或氣動扳手）和相關(guān)夾具。

4. 輔助設(shè)備： 包括硬度計(jì)（檢測材料硬度）、表面粗糙度儀（評估接觸面狀態(tài)）、金相顯微鏡（分析材料組織）、測溫儀（監(jiān)控試驗(yàn)溫度）等。

檢測方法

不同項(xiàng)目的檢測需遵循標(biāo)準(zhǔn)化的方法：

1. 強(qiáng)度檢測方法：
- 拉伸試驗(yàn)： 將螺栓試樣安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)的拉伸夾具中，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速率（如10 mm/min）施加軸向拉力，記錄力-位移曲線，測定抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率等。
- 剪切試驗(yàn)： 將螺栓穿過連接板的孔中，在萬能試驗(yàn)機(jī)上通過專用剪切夾具施加垂直于螺栓軸線的力，直至螺栓被剪斷，記錄最大剪切載荷。
- 保證載荷試驗(yàn)： 對螺栓施加規(guī)定保證載荷并保持一定時(shí)間（通常15秒），卸載后檢查螺栓是否發(fā)生永久變形（通常測量長度變化）。
- 頭部堅(jiān)固性試驗(yàn)： 將螺栓頭支撐在特定模具上，對螺桿施加規(guī)定的載荷，檢查頭部是否開裂或變形。

2. 抗滑移系數(shù)檢測方法：
- 按照標(biāo)準(zhǔn)要求加工摩擦面（如噴砂處理）并組裝試件（通常為雙摩擦面雙栓或三栓試件）。
- 使用經(jīng)標(biāo)定的扭矩扳手或直接軸力法（如液壓張拉器）將高強(qiáng)度螺栓擰緊至設(shè)計(jì)預(yù)拉力（需考慮超張拉補(bǔ)償）。
- 將組裝好的試件安裝在抗滑移試驗(yàn)裝置中，調(diào)整對中。
- 按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加載速率（如3-5 kN/s）施加剪切力，同時(shí)連續(xù)記錄載荷（P）和滑移量（Δ）。
- 當(dāng)試驗(yàn)曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)（表明滑移發(fā)生）時(shí)，記錄此時(shí)對應(yīng)的滑移載荷（P_滑）。
- 計(jì)算抗滑移系數(shù)：μ = P_滑 / (n_f * m * ΣP) （其中n_f為摩擦面數(shù)，m為螺栓數(shù)量，ΣP為所有螺栓預(yù)拉力之和）。通常取多組試件結(jié)果的平均值或最小值。

3. 扭矩系數(shù)檢測方法：
- 將待測螺栓（通常包括配套的螺母和墊圈）安裝在扭矩-軸力測試系統(tǒng)的夾具上。
- 設(shè)置擰緊速度（通常推薦為低速，如5-15 rpm）。
- 啟動擰緊過程，系統(tǒng)自動同步、實(shí)時(shí)采集施加的扭矩（T）值和產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力（F）值。
- 通常需測試多組數(shù)據(jù)（如5個(gè)螺栓為一組），記錄從擰緊開始到達(dá)到目標(biāo)預(yù)緊力（或一定扭矩值）過程中的T和F值。
- 計(jì)算每個(gè)螺栓在特定預(yù)緊力（通常取0.7倍屈服強(qiáng)度對應(yīng)的預(yù)緊力或設(shè)計(jì)預(yù)緊力）下的扭矩系數(shù)：K = T / (F * d)。
- 計(jì)算該組螺栓扭矩系數(shù)的平均值（K_m）和標(biāo)準(zhǔn)偏差（S_k）。K_m是工程應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)，S_k反映扭矩控制精度的離散性。

檢測標(biāo)準(zhǔn)

螺栓連接的檢測必須嚴(yán)格遵循國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以確保結(jié)果的可比性、準(zhǔn)確性和權(quán)威性。主要標(biāo)準(zhǔn)包括：

1. 國際標(biāo)準(zhǔn)：
- ISO 898-1： 機(jī)械性能第1部分：碳鋼和合金鋼制螺栓、螺釘和螺柱 - 性能等級。
- ISO 16047： 緊固件 - 扭矩/夾緊力試驗(yàn)。
- ISO 3506-1： 耐腐蝕不銹鋼緊固件的機(jī)械性能 - 第1部分：螺栓、螺釘和螺柱。

2. 國家標(biāo)準(zhǔn)（中國）：
- GB/T 3098.1： 緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱（等效ISO 898-1）。
- GB/T 1231： 鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件（包含高強(qiáng)度螺栓連接副的扭矩系數(shù)、