鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈拉伸試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

一、檢測(cè)原理
高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副的力學(xué)性能檢測(cè)核心在于驗(yàn)證其能否在設(shè)計(jì)荷載下保持可靠的連接性能。拉伸試驗(yàn)是評(píng)估其極限承載能力、塑性變形能力和安全裕度的關(guān)鍵手段。

1. 螺栓實(shí)物拉伸試驗(yàn)原理：通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)螺栓試件施加軸向拉伸載荷，直至斷裂。該過(guò)程用于測(cè)定螺栓的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。其科學(xué)依據(jù)是材料力學(xué)中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。對(duì)于高強(qiáng)度螺栓，其屈服強(qiáng)度通常采用規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度（Rp0.2）來(lái)表征，即產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值。試驗(yàn)旨在驗(yàn)證螺栓材料的均勻性、強(qiáng)度等級(jí)以及避免脆性斷裂的能力。

2. 螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)原理：在螺栓頭部下方施加一個(gè)規(guī)定角度的楔墊，然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。楔墊的存在會(huì)在螺栓桿部引入彎曲應(yīng)力，模擬螺栓在實(shí)際連接中可能承受的偏心載荷情況。此試驗(yàn)更為嚴(yán)苛，旨在考核螺栓在應(yīng)力集中條件下的塑性變形能力和韌性，確保其頭部與桿部的過(guò)渡區(qū)域在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下不發(fā)生脆性斷裂。

3. 螺母保證載荷試驗(yàn)原理：對(duì)螺母施加一個(gè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)保證載荷，并維持一定時(shí)間。該載荷通常對(duì)應(yīng)于螺栓的小抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)后，螺母不得出現(xiàn)螺紋脫扣或破裂。其原理是檢驗(yàn)螺母內(nèi)螺紋的抗剪強(qiáng)度和螺紋配合的承載能力，確保螺母能與匹配的螺栓等強(qiáng)，即“螺母等強(qiáng)原則”。

4. 墊圈硬度試驗(yàn)原理：通過(guò)硬度計(jì)對(duì)墊圈表面施加一定載荷，測(cè)量其壓痕深度或尺寸，以確定其洛氏硬度（HRC）或維氏硬度（HV）。高強(qiáng)度連接副用墊圈需具備足夠的表面硬度和韌性，其作用是分散螺栓頭/螺母對(duì)連接板面的壓力，防止板件承壓變形，同時(shí)通過(guò)自身變形來(lái)彌補(bǔ)板件表面的不平整，確保預(yù)緊力的有效傳遞。

二、檢測(cè)項(xiàng)目
檢測(cè)項(xiàng)目系統(tǒng)分為對(duì)螺栓、螺母、墊圈三大組件分別進(jìn)行，以及對(duì)連接副整體的綜合測(cè)試。

1. 螺栓檢測(cè)項(xiàng)目：

   • 實(shí)物拉伸試驗(yàn)：測(cè)定抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率。

   • 楔負(fù)載試驗(yàn)：考核螺栓在偏心載荷下的綜合性能。

   • 硬度試驗(yàn)：測(cè)定螺栓頭部和桿部的硬度值，評(píng)估其強(qiáng)度和熱處理均勻性。

   • 脫碳層試驗(yàn)：檢查螺栓螺紋部位表面因熱處理不當(dāng)導(dǎo)致的碳元素流失情況，表面脫碳會(huì)顯著降低疲勞強(qiáng)度。

   • 螺紋通止檢查：使用螺紋通規(guī)和止規(guī)檢查螺紋的加工精度。

2. 螺母檢測(cè)項(xiàng)目：

   • 保證載荷試驗(yàn)：驗(yàn)證螺母在標(biāo)準(zhǔn)載荷下的承載能力。

   • 硬度試驗(yàn)：測(cè)定螺母的硬度，確保其強(qiáng)度與匹配螺栓相適應(yīng)。

   • 螺紋通止檢查。

3. 墊圈檢測(cè)項(xiàng)目：

   • 硬度試驗(yàn)：確保其硬度在規(guī)定范圍內(nèi)，既足夠硬以分散壓力，又具備一定韌性。

   • 翹曲度檢查：檢查墊圈平面的平整度。

4. 連接副配套檢測(cè)：

   • 扭矩系數(shù)試驗(yàn)：通過(guò)對(duì)連接副施加規(guī)定的預(yù)緊扭矩，測(cè)量螺栓實(shí)際預(yù)緊力，計(jì)算扭矩系數(shù)（K = T / (P·d)），并評(píng)估其標(biāo)準(zhǔn)偏差。這是保證施工預(yù)緊力準(zhǔn)確性的關(guān)鍵參數(shù)。

   • 緊固軸力試驗(yàn)：直接測(cè)量螺栓在擰緊過(guò)程中產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力。

三、檢測(cè)范圍
高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副廣泛應(yīng)用于對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性要求極高的領(lǐng)域。

1. 建筑鋼結(jié)構(gòu)：工業(yè)與民用建筑、體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)航站樓等鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接、支撐系統(tǒng)連接等。

2. 橋梁工程：鋼橋的桿件拼接、橋面系與主梁的連接等。

3. 重型機(jī)械與設(shè)備：礦山機(jī)械、港口機(jī)械、大型壓力容器、發(fā)電設(shè)備等大型設(shè)備的機(jī)身連接和基礎(chǔ)錨固。

4. 塔桅結(jié)構(gòu)：高壓輸電鐵塔、通信塔、風(fēng)力發(fā)電塔筒的連接。

5. 其他領(lǐng)域：船舶制造、海洋工程等。

檢測(cè)范圍覆蓋了從原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)、生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制到成品出廠檢驗(yàn)，以及工程現(xiàn)場(chǎng)抽樣復(fù)驗(yàn)的全生命周期。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)高強(qiáng)度大六角頭螺栓連接副的檢測(cè)要求大同小異，但在具體參數(shù)和試驗(yàn)方法上存在細(xì)微差別。

五、檢測(cè)方法

1. 拉伸/楔負(fù)載試驗(yàn)：

   • 試樣準(zhǔn)備：螺栓試件應(yīng)保持原狀，僅可切削螺紋部分以適配夾具，但需保證小截面仍在螺紋部分。

   • 夾具選擇：使用專用的螺紋夾具或套筒夾具，確保載荷軸向傳遞，避免偏心。

   • 加載速率：嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定控制加載速率，通常應(yīng)力增加速率在10-30 MPa/s之間，直至屈服，之后可適當(dāng)提高。

   • 數(shù)據(jù)記錄：自動(dòng)記錄載荷-位移曲線，用于計(jì)算各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。

2. 保證載荷試驗(yàn)：

   • 將螺母擰入經(jīng)過(guò)硬化處理的標(biāo)準(zhǔn)芯棒上。

   • 通過(guò)試驗(yàn)機(jī)施加標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保證載荷，并保持15秒。

   • 卸載后，用手將螺母旋出，或旋出不超過(guò)半圈，檢查螺母螺紋是否損壞。

3. 硬度試驗(yàn)：

   • 在螺栓頭部末端、桿部或無(wú)螺紋部分，以及螺母的支承面或側(cè)面進(jìn)行測(cè)試。

   • 根據(jù)試樣厚度和預(yù)期硬度，選擇合適的硬度標(biāo)尺（HRC、HRB或HV）。

   • 每個(gè)試樣至少取3個(gè)點(diǎn)，取平均值。

4. 扭矩系數(shù)試驗(yàn)：

   • 將螺栓、螺母、墊圈組成連接副，安裝于扭矩系數(shù)試驗(yàn)臺(tái)上，螺栓軸力傳感器置于中間。

   • 使用經(jīng)標(biāo)定的扭矩扳手或電動(dòng)扭矩扳手，平穩(wěn)地施加扭矩至規(guī)定值。

   • 記錄扭矩T和軸力P，計(jì)算扭矩系數(shù)K = T / (P·d)，其中d為螺栓公稱直徑。

   • 同一批次至少測(cè)試8套，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

六、檢測(cè)儀器

1. 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：核心設(shè)備，用于拉伸、楔負(fù)載、保證載荷試驗(yàn)。需具備高精度載荷傳感器和位移測(cè)量系統(tǒng)，軟件能自動(dòng)繪制曲線并計(jì)算參數(shù)。電液伺服控制型試驗(yàn)機(jī)能實(shí)現(xiàn)精確的加載速率控制。

2. 硬度計(jì)：洛氏硬度計(jì)、維氏硬度計(jì)或布氏硬度計(jì)。需定期使用標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進(jìn)行校準(zhǔn)。

3. 扭矩-軸力測(cè)試系統(tǒng)：由試驗(yàn)臺(tái)架、高精度扭矩傳感器、軸力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)是進(jìn)行扭矩系數(shù)和緊固軸力測(cè)試的專用設(shè)備。

4. 金相顯微鏡/顯微維氏硬度計(jì)：用于脫碳層深度的精確測(cè)量。

5. 螺紋量規(guī)：包括通規(guī)和止規(guī)，用于快速檢驗(yàn)螺紋尺寸精度。

七、結(jié)果分析

1. 螺栓拉伸試驗(yàn)：

   • 合格判定：實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度不低于公稱抗拉強(qiáng)度下限；屈服強(qiáng)度不低于公稱屈服強(qiáng)度下限；斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

   • 失效模式分析：斷裂位置應(yīng)在桿部或螺紋部分，不應(yīng)在頭部與桿部交接處斷裂（楔負(fù)載試驗(yàn)除外）。若發(fā)生頭桿交接處斷裂，可能預(yù)示該區(qū)域存在冶金缺陷或應(yīng)力集中過(guò)大。

2. 螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)：

   • 合格判定：斷裂應(yīng)發(fā)生在螺紋部分或桿部，且其抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于螺栓材料的小抗拉強(qiáng)度。

   • 失效模式分析：頭部在楔墊作用下過(guò)早斷裂，表明頭部韌性不足或熱處理不當(dāng)。

3. 螺母保證載荷試驗(yàn)：

   • 合格判定：試驗(yàn)后，螺母能用手順利旋出，且螺紋無(wú)任何脫扣、撕裂或裂紋。

   • 失效模式分析：螺紋脫扣表明螺母硬度不足或螺紋強(qiáng)度不夠。

4. 硬度試驗(yàn)：

   • 合格判定：螺栓、螺母、墊圈的硬度值均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。

   • 結(jié)果分析：硬度過(guò)高可能導(dǎo)致脆性增加，過(guò)低則強(qiáng)度不足。螺栓與螺母的硬度應(yīng)合理匹配，通常螺母硬度略低于螺栓，以保護(hù)螺栓螺紋。

5. 扭矩系數(shù)試驗(yàn)：

   • 合格判定：扭矩系數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差均符合標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)規(guī)定（如GB/T 1231要求K=0.11~0.15，標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.010）。

   • 結(jié)果分析：扭矩系數(shù)離散性過(guò)大，意味著施工預(yù)緊力的控制將非常困難，直接影響連接節(jié)點(diǎn)的安全度。離散性大的原因可能包括：螺紋潤(rùn)滑狀態(tài)不一致、表面處理不均、批次材料性能波動(dòng)等。