螺栓、螺釘和螺柱頭部堅固性試驗檢測

一、檢測原理
頭部堅固性試驗旨在評估緊固件頭部與桿部結(jié)合處的抗變形和抗斷裂能力，其核心原理是模擬裝配或使用過程中頭部可能承受的彎曲、拉伸或剪切載荷?？茖W(xué)依據(jù)在于，緊固件頭部是通過冷鐓、熱鍛或切削等工藝成形，其與桿部的過渡區(qū)域存在應(yīng)力集中，且微觀組織結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化（如流線被切斷、晶粒粗大等），成為力學(xué)性能的薄弱環(huán)節(jié)。試驗通過施加定向的、可控的載荷，迫使頭部承受一個垂直于其軸線的力，從而在頭桿結(jié)合處產(chǎn)生大的彎曲應(yīng)力。若頭部與桿部結(jié)合牢固、無缺陷，則能承受規(guī)定載荷而不發(fā)生斷裂或過度變形；反之，則會出現(xiàn)裂紋或斷裂，暴露出材料、工藝或設(shè)計上的缺陷。

二、檢測項目
頭部堅固性試驗主要分為以下幾類：

1. 對邊彎曲試驗： 主要適用于六角頭、四方頭等有對邊結(jié)構(gòu)的螺栓和螺釘。將試樣桿部固定，在頭部的一個對邊平面內(nèi)施加彎曲力。

2. 頭部剪切試驗： 適用于各類外扳擰結(jié)構(gòu)（如六角頭、十二角頭）和內(nèi)扳擰結(jié)構(gòu)（如內(nèi)六角、十字槽）的螺釘。載荷施加方向平行于頭部支承面，使頭部承受剪切作用。

3. 扭矩試驗： 特別適用于內(nèi)扳擰結(jié)構(gòu)的螺釘（如內(nèi)六角、梅花槽等）。通過扭矩扳手或試驗機，對螺釘頭部施加逐漸增大的扭矩，直至達到規(guī)定扭矩或發(fā)生破壞，以評估其抗扭強度及槽的承載能力。

4. 重復(fù)擰入試驗： 針對自攻螺釘、自鉆螺釘?shù)?，評估其頭部在多次擰入過程中承受擰緊扭矩而不損壞的能力。

5. 芯部檢測： 并非直接加載試驗，而是通過硬度測試或金相分析，檢查頭部芯部的硬度是否在規(guī)定范圍內(nèi)，避免因過硬而脆斷或因過軟而變形。

三、檢測范圍
頭部堅固性試驗覆蓋幾乎所有需要保證裝配可靠性和安全性的工業(yè)領(lǐng)域：

• 汽車工業(yè)： 發(fā)動機、底盤、車身連接用高強度螺栓、螺釘，要求極高的頭部堅固性以防斷裂導(dǎo)致安全事故。

• 航空航天： 對緊固件重量、強度、可靠性要求極端苛刻，頭部試驗是必檢項目，標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)格。

• 軌道交通： 軌道連接、車輛結(jié)構(gòu)用大型螺栓、螺柱，需承受巨大振動和沖擊載荷。

• 建筑鋼結(jié)構(gòu)： 高強度螺栓連接副，其螺栓頭部需保證在預(yù)緊和動載下不失效。

• 機械裝備： 各類重型機械、機床、風(fēng)電設(shè)備中承受重載的關(guān)鍵連接件。

• 電子電器： 小型精密螺釘，雖載荷小，但需保證裝配時頭部不滑牙、不斷裂。

• 石油化工： 壓力容器、管道法蘭用螺柱，要求在高溫高壓環(huán)境下頭部連接可靠。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)
國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對頭部堅固性試驗的規(guī)定存在細節(jié)差異，但原理相通。

• 標(biāo)準(zhǔn)：

  • ISO 898-1: 規(guī)定了對碳鋼和合金鋼制造的螺栓、螺釘和螺柱的機械性能要求，其中包含了頭部堅固性（韌性）的楔負載試驗（評估頭桿結(jié)合強度在軸向拉伸下的表現(xiàn)，與純彎曲試驗側(cè)不同但目的相關(guān)）和對內(nèi)扳擰螺釘?shù)呐ぞ卦囼炓蟆?/span>

  • ISO 10683: 對鍍層緊固件的扭矩試驗有特殊規(guī)定，考慮鍍層摩擦系數(shù)的影響。

• 標(biāo)準(zhǔn)（中國）：

  • GB/T 3098.1: 等效采用ISO 898-1，明確規(guī)定了螺栓、螺釘?shù)男ㄘ撦d試驗和螺釘?shù)呐ぞ卦囼灐?/span>

  • GB/T 3098.5: 對自攻螺釘?shù)臋C械性能要求中，包含了頭部堅固性試驗。

  • GB/T 90.3: 緊固件質(zhì)量保證體系中，頭部堅固性常作為關(guān)鍵檢驗項目。

• 行業(yè)/國外先進標(biāo)準(zhǔn)：

  • 汽車行業(yè)（如VW, Ford等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）： 通常比和標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，對試驗條件、載荷速率、評判標(biāo)準(zhǔn)有更細致的規(guī)定。

  • 美國ASTM/SAE標(biāo)準(zhǔn)、德國DIN標(biāo)準(zhǔn)： 均有相應(yīng)條款規(guī)定頭部試驗，技術(shù)參數(shù)與ISO、GB大同小異，但在試樣制備、夾具要求等方面可能存在差異。

• 對比分析： 標(biāo)準(zhǔn)（ISO）與標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）趨于統(tǒng)一，保證了貿(mào)易的便利性。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（尤其是汽車、航空）往往是嚴(yán)格的，代表了該領(lǐng)域的高技術(shù)要求。檢測時需根據(jù)產(chǎn)品用途和客戶要求選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測方法

1. 對邊彎曲試驗方法：

   • 操作要點： 將試樣桿部穩(wěn)固地夾持在夾具中，確保頭部露出足夠長度。使用專用壓頭，在頭部的一個對邊平面內(nèi)，緩慢、無沖擊地施加彎曲力。載荷應(yīng)施加在距桿部軸線特定距離的位置（如對邊寬度的一半）。持續(xù)加載至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的角度或直至試樣斷裂。試驗應(yīng)在室溫（10℃-35℃）下進行。

2. 扭矩試驗方法：

   • 操作要點： 將螺釘牢固地固定在一個專用夾具中，僅露出頭部。選用符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸、精度合格且硬度高于試樣的扳手（如內(nèi)六角扳手）。將扭矩扳手或試驗機驅(qū)動頭垂直插入螺釘頭部槽內(nèi)，以恒定速率（如5-10r/min）施加扭矩，直至達到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的小破壞扭矩值或螺釘頭部發(fā)生破壞。試驗過程中應(yīng)確保無沖擊載荷。

3. 結(jié)果判定： 試驗后，目視檢查或用低倍放大鏡觀察頭部與桿部結(jié)合處。不應(yīng)有任何裂紋產(chǎn)生。對于扭矩試驗，實際測得的破壞扭矩值應(yīng)大于或等于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的小值。

六、檢測儀器
用于頭部堅固性試驗的設(shè)備需具備以下技術(shù)特點：

1. 萬能材料試驗機：

   • 技術(shù)特點： 可用于進行對邊彎曲試驗、拉伸試驗（楔負載）等。需具備精確的載荷測量系統(tǒng)（力傳感器）、位移測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。應(yīng)能實現(xiàn)恒定的加載速率，并具有過載保護功能。需配備專用的彎曲試驗夾具和壓頭，夾具應(yīng)能有效防止試樣打滑且不損傷試樣桿部。

2. 扭矩試驗機：

   • 技術(shù)特點： 專用于扭矩試驗。核心是高精度的扭矩傳感器和穩(wěn)定的驅(qū)動系統(tǒng)。應(yīng)能實時顯示、記錄扭矩-角度曲線。驅(qū)動頭與夾具需保證對中性良好，避免產(chǎn)生附加彎矩。設(shè)備需能設(shè)定和控制旋轉(zhuǎn)速度。

3. 專用頭部堅固性試驗儀：

   • 技術(shù)特點： 集成了彎曲和扭矩試驗功能的專用設(shè)備，自動化程度高，通常包含自動送料、夾緊、加載、判斷和分揀功能，適用于大批量產(chǎn)品的快速檢測。其控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件更為化。

七、結(jié)果分析

1. 定性分析（目視檢查）：

   • 合格判定： 試驗后，頭部與桿部結(jié)合處光滑、連續(xù)，無任何可見裂紋。頭部變形在允許范圍內(nèi)（如支承面未發(fā)生嚴(yán)重影響使用的翹曲）。

   • 不合格判定：

     • 斷裂： 頭部完全或部分從桿部脫落。

     • 裂紋： 在頭桿結(jié)合處圓弧過渡區(qū)域或頭部支承面邊緣出現(xiàn)任何方向的裂紋，即使微裂紋也通常判定為不合格。

     • 過度變形： 頭部發(fā)生嚴(yán)重畸變，影響扳手正常使用或支承功能。

2. 定量分析：

   • 扭矩值： 對于扭矩試驗，記錄實際破壞扭矩值T_actual。評判標(biāo)準(zhǔn)為：T_actual ≥ T_min（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的小破壞扭矩）。若T_actual < T_min，則判定不合格。分析扭矩-角度曲線，若曲線出現(xiàn)突然下跌，通常表明脆性斷裂；若曲線平緩下降，可能為塑性扭轉(zhuǎn)后斷裂。

   • 彎曲角度/載荷： 對于要求加載至特定角度的彎曲試驗，需記錄達到該角度時是否發(fā)生斷裂?；蛴涗浽谝?guī)定載荷下是否產(chǎn)生裂紋。

3. 失效模式分析：

   • 脆性斷裂： 斷口平齊，呈結(jié)晶狀。原因可能包括材料淬火過度、回火不足導(dǎo)致過硬過脆；頭桿結(jié)合處有宏觀或微觀裂紋、折疊等工藝缺陷；金相組織不良（如過多網(wǎng)狀碳化物）。

   • 韌性斷裂/過度變形： 頭部嚴(yán)重彎曲或扭轉(zhuǎn)變形但未斷。原因可能為材料強度不足、熱處理不當(dāng)（硬度偏低）或頭部尺寸（如厚度）設(shè)計不足。

   • 槽部損壞（扭矩試驗）： 內(nèi)六角、十字槽等被打滑、擰圓。原因可能為槽深不足、形狀不標(biāo)準(zhǔn)、材料強度不夠或扳手與槽配合間隙過大。