预紧力预紧力和安装扭矩安装扭矩 螺栓机械性能等级 螺栓的机械性能等级分为10个等级（不是随便的任意搭配，而是 根据螺栓原材与加工工艺确定的）： 3.6/4.6/4.8/5.6/5.8/6.8/8.8/9.8/10.9/12.9 3.6：Q195或10钢热锻或切削加工 4.6：Q235热锻或切削加工 4.8：低碳钢经冷变形（冷拔-冷镦）后的强度 5.6：中碳钢热锻或切削加工 5.8：低碳钢经20%以上冷变形后的强度 6.8：中碳钢冷锻后的强度 8.8及以上：中碳钢/合金钢 冷锻/红打后热处理 此10个外螺纹机械性能等级目前在国际范围内已标准化且广泛使 用，应优先采用（特殊情况，也可超此范围）。 屈服强度屈服强度 yield strength 又称为屈服极限 ，常用符号s，是材料屈服的临界应力值。 （1）对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值） （2）对于屈服现象不明显的材料，与应力-应变的直线关系的极限偏差达 到规定值（通常为0.2%的原始标距）时的应力。 有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2%) 时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度 屈服强度屈服强度 yield strength 抗拉强度（抗拉强度（tensile strength） 试样在拉伸过程中，材料经过屈服阶段后进入强化阶段后随着横向截面尺 寸明显缩小在拉断时所承受的最大力最大力（Fb），除以试样原横截面积横截面积（So） 所得的应力（），称为抗拉强度抗拉强度或者强度极限强度极限（b），单位为N/mm2（ MPa）。它表示金属材料在拉力作用下抵抗破坏的最大能力。 抗拉强度是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是 金属在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性材料塑性材料，它表征材料最大均 匀塑性变形的抗力，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的 ，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形；对于没有(或 很小)均匀塑性变形的脆性材料脆性材料，它反映了材料的断裂抗力。符号为RM， 单位为MPa。 屈强比屈强比 螺栓的机械性能等级分为10个等级 3.6/4.6/4.8/5.6/5.8/6.8/8.8/9.8/10.9/12.9 小数点前数字表示公称抗拉强度的1%，后面数字表示“屈强比” 。比如8.8表示螺栓的公称抗拉强度为800MPa，屈强比为0.8。 屈强比屈强比为屈服强度与抗拉强度的比值(s/b) 。 屈强比有两个作用：一是可算出公称屈服点，二是表示螺栓制造过 程中是否被强化以及强化程度的高低。强化分冷作硬化和调质处理 。 0.6的一般为热锻或切削加工（较软），0.8的为冷镦或经热处 理（较硬）。 常见强度级别螺栓常见强度级别螺栓/钉的机械性能对比：钉的机械性能对比： 机械性能机械性能 代号代号 单位单位 4.84.8 8.88.8 10.910.9 12.912.9 公称抗拉强度公称抗拉强度 bb MPa 400400 800800 10001000 12001200 最小抗拉强度最小抗拉强度 bbminmin MPa 420420 800/830(d16)800/830(d16) 10401040 12201220 楔负载楔负载 N 与螺纹直径成比例与螺纹直径成比例 公称屈服点公称屈服点 ss MPa 320320 640640 900900 10801080 保证应力保证应力 SpSp MPa 310310 580580 830830 970970 维氏硬度维氏硬度 HV 1010- -220220 250250- -320320 320320- -380380 385385- -435435 洛氏硬度洛氏硬度 HR 2222- -3232 3232- -3939 3939- -4444 布氏硬度布氏硬度 HB 124124- -209209 238238- -304304 304304- -361361 366366- -414414 破坏扭矩破坏扭矩 MB N.m 与螺纹直径成比例与螺纹直径成比例 断后伸长率断后伸长率 % 1212 9 9 8 8 断面收缩率断面收缩率 % 5252 4848 4444 冲击吸收功冲击吸收功 Aku J 3030 2020 1515 安装扭矩安装扭矩 预紧力的实现预紧力的实现 螺纹结合主要是使夹紧物体的力必须大于使它们分开的力，而 螺栓须处于固定的应力下不受疲劳载荷的影响，但是如果初始 的预紧力太小，作用在螺栓上的不同方向的负荷会很快让螺栓 松动，如果初始预紧力太大，预紧的过程可能导致螺栓失效。 与此可见螺栓的可靠度完全依赖于正确的预紧力，而实际上大 部分的预紧力是由正确的扭矩扭矩来间接实现间接实现的。 预紧力的大小预紧力的大小 螺栓的预紧力 当螺母和螺栓锁紧时,会产生拉力到 螺栓上，此时会有一个相等的反作 用力产生,进而将二者紧密结合。 通常由测试来验证螺栓的负荷，最 初大都使用所知的屈服点来测试负 荷，基本上螺栓锁紧的预紧力介于 屈服强度值的75%到90%。 锁紧至其屈服点锁紧至其屈服点 较小外径螺栓锁紧至其屈服点可提供稳定和较高的预紧力，尤以螺栓在受 到重复松动外力时可减少螺栓的疲劳，例如汽缸和连杆。 理论上理论上，一个螺栓锁紧至其屈服点会更坚固和更能抗疲劳破坏，屈服点的 大小与螺栓材料本身和后期热处理有关。 螺栓的锁紧是预紧力预紧力而非安装扭矩，用安装扭矩的方式间接获得预紧力进 而锁紧的方式是目前常用的可操作方法。 然而，在使用机械结合过程中建立一个适当的预紧力来获得更高的安全性 或基于成本考虑是有其必要性的。不同形式的螺栓或垫圈使用方式也不同 ，其中最有效的方式是利用超声波在螺栓预紧过程中测量其拉伸长度，从 而达到施加最佳预紧力的效果。 在螺栓连接处的摩擦力在螺栓连接处的摩擦力 当一个螺纹结合是在锁紧的情况下，螺栓头部和螺纹处的摩擦将影响螺栓 预紧力的大小。一般来说在克服螺栓头和被夹紧物表面摩擦时，相当于50% 的扭矩被消耗，30%到40%的扭矩损失是在克服螺纹处的摩擦力，仅剩下 10%的扭矩才能有效的作用于预紧力上。 多达90%施加的扭矩都因摩擦因素而消耗，所以表面状况与润滑在扭矩产生 的预紧力上有很大影响，随着表面摩擦系数的改变将会有不同的结果。 垫圈对预紧力的影响垫圈对预紧力的影响 大部分的扭矩锁紧都不会使用垫圈，因为螺母与垫圈或 垫圈与被夹紧物表面在锁紧过程中相对作用的结果会改 变摩擦半径，因此影响扭矩对预紧力的关联性。当一个 大的被夹持表面需要使用凸缘螺栓和螺母时，则可利用 垫圈来帮助结合，此时一般常使用硬硬的垫圈来提供较低较低 且稳定的摩擦且稳定的摩擦。 摩擦系数对预紧力的影响 1. 使用去油膜的螺栓会降低预设扭矩下 所提供的预紧力，而且可能在达到所需的 预紧力前螺栓就已经被扭断了。 2. 由石墨，二硫化钼和石蜡所构成的高 级润滑剂也会减小摩擦力，可能导致预紧 力过大使螺栓失效。同样依据此原理，在 使用较低扭矩的锁紧工具可以借助润滑剂 来产生较大的预紧力。 3. 螺栓会因为外观或防腐因素而电镀， 这些表面处理会影响摩擦系数。 4. 螺栓上的摩擦扭矩常因振动产生锁紧 失效，此时常使用防松螺母来确保锁紧扭 矩。 螺栓和螺母不同表面处理后 相应摩擦系数对比 70% 动态应力 不正确安装 20% 腐蚀 3% 质量 7% 其他原因 紧固件主要失效模式 三种主要模式 安装和设计错误 Assembly and design errors 腐蚀 Corrosion 氢脆 Hydrogen Embrittlement 失效原因及其占比 F F Reasons原因原因: - insufficient tightening 不正确扭矩不正确扭矩 - too high shear forces 受到高剪切力受到高剪切力 - too small screw 尺寸不够尺寸不够 - too weak screw 级别不够级别不够 - low friction 太低摩擦系数太低摩擦系数 - preload loss due to seating 塌陷塌陷 安装和设计错误 Securely fastened joints Fracture by fatigue 疲劳断裂疲劳断裂 缺陷及失效模式缺陷及失效模式 安装和设计错误安装和设计错误 Torsional fracture 扭矩断裂扭矩断裂 Securely fastened joints Stripping of a nut thread 螺母脱扣螺母脱扣 缺陷及失效模式缺陷及失效模式 安装和设计错误安装和设计错误 Securely fastened joints 缺陷及失效模式缺陷及失效模式 安装和设计错误安装和设计错误 较高性能等级的螺母可以替换性能等级较低的螺母。 设计思想： 希望螺纹组合件失效形式为螺杆断裂而不是螺母或螺栓 螺纹脱扣或同时脱扣（因为螺杆断裂便于及时发现螺纹 组合件失效）。 螺母与螺栓匹配应用的注意点： Tightening of a bolted joint 好似螺栓被拉长，工件被压缩好似螺栓被拉长，工件被压缩 缺陷及失效模式缺陷及失效模式 安装和设计错误安装和设计错误 Securely fastened joints Tightening of screws and nuts 拧紧螺栓和拧紧螺栓和螺母螺母 Securely fastened joints To achieve a specific tension. If MD input = 100Nm a. Friction in the thread, G ? b. Friction under the head, K ? c. Clamping force, Fv ? 3040% 50% 1020% Clamping force FV Torque MD K G 缺陷及失效模式缺陷及失效模式 安装和设计错误安装和设计错误 Preload with Tightening Torque 预加载拧紧力矩预加载拧紧力矩 缺陷及缺陷及失效模式失效模式 安装安装和设计错误和设计错误 Preload with Tightening Torque预加载拧紧力矩预加载拧紧力矩 缺陷及缺陷及失效模式安装失效模式安装和设计错误和设计错误 设设计装配错误计装配错误 腐腐蚀蚀 20% 70% 10% 质量及其它质量及其它 螺丝断裂的主要原因 设设计装配错误计装配错误 腐腐蚀蚀 20% 70% 10% 质量及其它质量及其它 螺丝断裂的主要原因 紧固件的腐蚀（红锈与白锈）紧固件的腐蚀（红锈与白锈） 在密封或空气不流通的环境中，锌镀层易受在密封或空气不流通的环境中，锌镀层易受 某些非金属材料挥发的有机气氛影响而产生某些非金属材料挥发的有机气氛影响而产生 白霜状腐蚀白霜状腐蚀白锈。白锈。 by XieKan