螺栓预紧力和安装扭矩

屈服强度 yield strength
• 又称为屈服极限 ，常用符号δs，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%)
常见强度级别螺栓/钉的机械性能对比：
机械性能 公称抗拉强度 最小抗拉强度 楔负载 公称屈服点 保证应力 维氏硬度 洛氏硬度 布氏硬度 破坏扭矩 断后伸长率 断面收缩率 冲击吸收功
代号 σb σbmin
σs Sp HV HR HB MB δ ψ Aku
单位
4.8
8.8
10.9
MPa
400
800
1000
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来间接实现的。
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
70% 动态应力 不正确安装
20% 腐蚀 3% 质量 7% 其他原因
15 PRÄSENTATIONSTITEL
- too small screw 尺寸不够
- too weak screw 级别不够
- low friction 太低摩擦系数
- preload loss due to seating 塌陷
16 PRÄSENTATIONSTITEL
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© Adolf Würth GmbH & Co. KG, Künzelsau, 0280.1037-.0270-0183
安装和设计错误
Securely fastened joints
Reasons原因:
- insufficient tightening 不正确扭矩
F
F - too high shear forces 受到高剪切力
• 屈强比为屈服强度与抗拉强度的比值(σs/σb) 。
• 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）。
6 PRÄSENTATIONSTITEL
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MPa N
420 800/830(d>16) 1040 与螺纹直径成比例
MPa MPa
N.m
320 310 10-220 —— 124-209
640
900
580 250-320
830 320-380
22-32
32-39
238-304 304-361
与螺纹直径成比例
%
——
12
9
%
——
52
48
J
——
30
c. Clamping force, Fv ?
10~20%
21 PRÄSENTATIONSTITEL
Tightening of screws and nuts
拧紧螺栓和​螺母
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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（Fb），除以试样原横截面积（So） 所得的应力（σ），称为抗拉强度或者强度极限（σb），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。
13 PRÄSENTATIONSTITEL
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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。
缺陷及失效模式 安装和设计错误
Securely fastened joints
Torque MD µK
Clamping force FV µG
To achieve a specific tension... If MD input = 100Nm
a. Friction in the thread, µG ? ~50% b. Friction under the head, µK ?30~40%
• 螺栓的锁紧是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。
缺陷及失效模式 安装和设计错误
Securely fastened joints
20 PRÄSENTATIONSTITEL
Tightening of a bolted joint 好似螺栓被拉长，工件被压缩
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• 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。
14 PRÄSENTATIONSTITEL
螺栓和螺母不同表面处理后 相应摩擦系数对比
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缺陷及失效模式 安装和设计错误
Securely fastenedຫໍສະໝຸດ Baidujoints
18 PRÄSENTATIONSTITEL
Stripping of a nut thread 螺母脱扣
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缺陷及失效模式 安装和设计错误
11 PRÄSENTATIONSTITEL
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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。
•
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）。
2 PRÄSENTATIONSTITEL
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时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度
3 PRÄSENTATIONSTITEL
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屈服强度 yield strength
4 PRÄSENTATIONSTITEL
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• 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，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，它反映了材料的断裂抗力。符号为RM， 单位为MPa。
10 PRÄSENTATIONSTITEL
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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，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。
预紧力和安装扭矩
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 PRÄSENTATIONSTITEL
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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。
9 PRÄSENTATIONSTITEL
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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%。
20
12.9 1200 1220
1080 970 385-435 39-44 366-414
8 44 15
7 PRÄSENTATIONSTITEL
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安装扭矩
8 PRÄSENTATIONSTITEL
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缺陷及失效模式 安装和设计错误
Securely fastened joints
Torsional fracture 扭矩断裂
17 PRÄSENTATIONSTITEL
Fracture by fatigue 疲劳断裂
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螺母与螺栓匹配应用的注意点：
• 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）。
19 PRÄSENTATIONSTITEL
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• 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。
12 PRÄSENTATIONSTITEL
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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，此时一般常使用硬的垫圈来提供较低 且稳定的摩擦。