六角頭螺栓扭矩試驗檢測技術

一、檢測原理

扭矩試驗的核心在于評估螺栓在扭轉載荷下的力學性能及其與螺母組合后的綜合行為。其科學依據主要基于材料力學、彈塑性力學和螺紋副力學。

1. 扭矩-預緊力關系原理：施加在螺栓上的扭矩（T）主要用于克服螺紋副之間的摩擦力矩（T1）和螺栓頭部（或螺母）與支承面之間的摩擦力矩（T2），僅有小部分扭矩（T3）轉化為使螺栓桿伸長的軸向預緊力（F）。其關系可近似表示為：T = T1 + T2 + T3 = F * [ (0.16 * P) + (μth * d2 / cosβ) + (μb * dm / 2) ]。其中，P為螺距，μth為螺紋摩擦系數，d2為螺紋中徑，β為牙型半角，μb為支承面摩擦系數，dm為支承面等效摩擦直徑。此公式揭示了摩擦系數對預緊力控制的決定性影響。

2. 屈服點判定原理：在連續(xù)施加扭矩的過程中，螺栓桿部同時承受拉伸應力和扭轉切應力。根據第四強度理論（畸變能密度理論），當復合應力達到材料的屈服強度時，螺栓發(fā)生屈服。在扭矩-轉角曲線（T-θ曲線）上表現為線性關系結束，曲線斜率發(fā)生明顯變化。通過監(jiān)測斜率下降至某一特定值（如降至彈性段斜率的2/3或1/2時）即可確定屈服扭矩。

3. 破壞機理：當施加的扭矩超過螺栓材料的抗扭強度極限時，螺栓將在薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生斷裂。對于全螺紋螺栓，斷裂通常發(fā)生在螺紋收尾處或桿部；對于栓桿直徑小于螺紋中徑的螺栓，斷裂可能發(fā)生在桿部。斷裂形式與應力集中、材料缺陷及熱處理工藝密切相關。

二、檢測項目

六角頭螺栓的扭矩相關檢測項目可系統(tǒng)分為以下幾類：

1. 保證載荷下的扭矩測試：對螺栓-螺母組合施加規(guī)定的保證載荷，同時測量并記錄所需的扭矩值，以評估在特定軸向力下螺紋副的摩擦性能。

2. 扭矩系數測試：通過試驗直接測量出扭矩（T）與軸向預緊力（F）的數值，并計算扭矩系數K值（K = T / (F * d)，其中d為螺栓公稱直徑）。此項目是評估螺栓連接副緊固特性穩(wěn)定性的關鍵。

3. 緊固扭矩測試：模擬實際裝配過程，對螺栓-螺母組合施加扭矩直至擰緊，記錄達到規(guī)定夾緊力或轉角時的扭矩值。

4. 破壞性扭矩測試：

   • 小破壞扭矩測試：對螺栓（通常與測試專用螺母配合）連續(xù)施加扭矩，直至發(fā)生扭斷，記錄其破壞扭矩值。主要用于評估低強度或小規(guī)格螺栓的抗扭能力。

   • 扭轉強度測試：對螺栓試件施加扭矩直至斷裂，記錄其大扭矩值和扭轉角度，并計算抗扭強度。用于評估螺栓材料的扭轉性能。

5. 扭矩-轉角特性測試：連續(xù)記錄從擰緊開始到屈服或破壞整個過程中的扭矩與轉角關系曲線。通過該曲線可以分析出螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數、屈服點、大扭矩等多項參數。

三、檢測范圍

扭矩試驗覆蓋了幾乎所有使用六角頭螺栓的工業(yè)領域，具體要求各異：

1. 鋼結構建筑：高強度大六角頭螺栓連接副的扭矩系數和緊固軸力是保證鋼結構節(jié)點安全的關鍵。要求扭矩系數K值穩(wěn)定在0.110-0.150范圍內，且標準差小。

2. 汽車制造：發(fā)動機、底盤、車身等關鍵部位的螺栓連接，要求進行扭矩-轉角監(jiān)控，以確保達到規(guī)定的夾緊力，并常采用屈服點擰緊法。對摩擦系數的控制極為嚴格。

3. 航空航天：對螺栓的扭矩-預緊力一致性、防松性能及疲勞性能要求極高。檢測通常在特定潤滑條件下進行，并對螺栓的屈服強度和破壞扭矩有嚴格要求。

4. 重型機械：大型設備如風電塔筒、工程機械的螺栓連接，需測試其小破壞扭矩和保證載荷下的扭矩，確保其具備足夠的抗過載能力。

5. 壓力容器與管道法蘭：螺栓的緊固扭矩直接關系到密封性能，需進行扭矩系數測試，以確保在給定扭矩下能產生均勻且足夠的密封力。

四、檢測標準

國內外標準對扭矩試驗的規(guī)定各有側重。

對比分析：

• ISO/GB體系與ASTM體系在小破壞扭矩測試上原理相似，但適用范圍和具體指標略有差異。

• 對于高強度鋼結構連接，中國標準GB/T 1231的規(guī)定非常具體和嚴格，具有鮮明的行業(yè)特色。

• 汽車行業(yè)廣泛采用SAE標準，更側重于扭矩-夾緊力關系的精確測量和過程控制。

五、檢測方法

1. 扭矩系數測試方法：

   • 操作要點：將螺栓-螺母組合試件穿入剛性測試墊圈，安裝在扭矩-軸向力測試系統(tǒng)上。勻速施加扭矩至螺栓產生規(guī)定的預緊力（通常為螺栓保證載荷的70%左右）。實時同步記錄扭矩T和軸向力F。一組試件至少測試8套，計算平均扭矩系數K和標準偏差。

   • 關鍵控制：墊圈的硬度和平整度、擰緊速度（通常為5-15 rpm）、螺紋和支承面狀態(tài)（不得有潤滑，除非另有規(guī)定）、軸向力傳感器的校準。

2. 小破壞扭矩測試方法：

   • 操作要點：將螺栓旋入專用淬硬試驗螺母，旋入長度不少于1d。將螺母固定在試驗機上，對螺栓頭部施加扭矩，以勻速（通常為10 rpm）旋轉直至螺栓斷裂。記錄破壞瞬間的扭矩值。

   • 關鍵控制：試驗螺母的硬度必須高于螺栓，防止螺紋脫扣而非螺栓扭斷。確保扭矩加載連續(xù)無沖擊。

3. 扭矩-轉角特性測試方法：

   • 操作要點：安裝方式同扭矩系數測試。從零開始連續(xù)施加扭矩，同時高頻率采集扭矩和轉角數據，直至螺栓屈服或斷裂。繪制T-θ曲線。

   • 關鍵控制：數據采集頻率需足夠高以準確捕捉屈服點。采用合適的算法（如斜率法、偏移法）來自動判定屈服扭矩。

六、檢測儀器

1. 扭矩-軸向力測試系統(tǒng)：

   • 技術特點：該系統(tǒng)是核心設備，集成了扭矩傳感器、軸向力傳感器、伺服電機驅動單元、精密夾具和數據采集處理單元。

   • 扭矩傳感器：采用應變片技術，精度高，動態(tài)響應好。

   • 軸向力傳感器：通常為環(huán)形或輪輻式結構，直接測量螺栓桿的伸長力，避免了通過墊片等間接測量帶來的誤差。

   • 驅動單元：伺服電機提供平穩(wěn)、精確且可編程控制的轉速和轉向。

2. 靜態(tài)扭矩扳手測試儀：

   • 技術特點：用于校準扭矩工具和進行簡單的靜態(tài)扭矩檢查。采用高精度應變式或壓電式傳感器，便攜式設計，數字顯示。

3. 扭轉試驗機：

   • 技術特點：專用于材料或零件的扭轉性能測試，可進行扭轉強度、剪切模量等測試。具有兩個夾頭，一個固定，一個旋轉，可精確控制扭轉變形和速率。

七、結果分析

1. 扭矩系數分析：

   • 計算方法：K_avg = (K1 + K2 + ... + Kn) / n；標準偏差σ = sqrt[ Σ(Ki - K_avg)² / (n-1) ]。

   • 評判標準：依據產品標準或設計要求。如GB/T 1231要求K值在0.110-0.150之間，且標準偏差≤0.010。K值過大表明摩擦系數高，轉化效率低；K值過小則易導致過擰。

2. 扭矩-轉角曲線分析：

   • 彈性階段：曲線呈直線，斜率代表連接副的扭轉剛度。斜率變化可反映摩擦狀態(tài)的改變。

   • 屈服點：采用斜率法判定，當曲線斜率下降至初始彈性斜率的特定比例時，對應的扭矩即為屈服扭矩。實測屈服扭矩應大于標準規(guī)定的小值。

   • 大扭矩/破壞扭矩：曲線高點對應的扭矩值。實測值應大于標準規(guī)定的小破壞扭矩。

   • 斷裂形態(tài)：觀察斷口位置和形貌。若斷在螺紋處，需關注螺紋加工質量；若斷在桿部，則與材料本身性能關系更大。

3. 摩擦系數分析：

   • 計算方法：通過測得的T、F，結合螺栓幾何參數，利用扭矩-預緊力關系公式反算出螺紋摩擦系數μth和支承面摩擦系數μb。

   • 評判標準：摩擦系數應穩(wěn)定且在設計要求范圍內。過高的摩擦系數會導致預緊力不足和螺栓應力過大；過低的摩擦系數則易引起預緊力超差和松動風險。