緊固試驗：連接可靠性的科學基石

在機械工程、建筑結構、航空航天乃至日常家電中，螺栓、螺釘、鉚釘等緊固件如同無形的紐帶，將萬千零件整合為可靠運轉的整體。它們的性能，尤其是連接點的強度與穩定性，直接決定了結構的安全與壽命。緊固試驗，正是評估和保障這種關鍵連接性能的科學手段。

核心技術要點

• 核心目標： 評估緊固件及其形成的連接在特定條件下的力學性能，主要包括：
  • 夾緊力（軸力）： 緊固件施加在被連接件上的壓緊力，是保證連接可靠性的關鍵載荷。
  • 抗拉強度： 緊固件抵抗拉伸斷裂的能力。
  • 抗剪切強度： 緊固件抵抗橫向剪切載荷的能力。
  • 扭矩系數： 施加的擰緊扭矩轉化為夾緊力的效率（K = T / (F * d)， T為扭矩，F為軸力，d為公稱直徑）。
  • 摩擦系數： 螺紋副間及螺母/螺栓頭與支撐面間的摩擦特性，直接影響扭矩-夾緊力關系。
  • 防松性能： 抵抗振動、沖擊或溫度變化導致預緊力喪失的能力。
  • 疲勞壽命： 在循環載荷作用下的耐久性。
• 核心原理： 通過對緊固件或連接副施加可控的力（拉伸、剪切）或位移（擰緊、松開），測量其響應（力、位移、應變、溫度等），分析其力學行為、失效模式和承載極限。
• 關鍵參數測量：
  • 扭矩測量： 使用高精度扭矩傳感器或扭矩扳手。
  • 夾緊力（軸力）測量： 最直接、最重要的參數測量方法包括：
    • 荷載傳感器： 直接內置或置于連接件間。
    • 超聲波測量： 通過測量緊固件受載后的長度變化（聲時變化）推算軸力（高精度、無損）。
    • 應變片測量： 在緊固件或專用測量螺栓上貼片。
    • 液壓測量墊圈。
  • 轉角測量： 精確記錄擰緊過程中的角度變化。

主要試驗方法

1. 扭矩-夾緊力關系試驗：

   • 目的： 確定特定緊固件組合（螺栓、螺母、墊圈、被連接件材料及表面處理）的扭矩系數（K）或總摩擦系數（μ_tot），為實際裝配提供準確的扭矩控制依據。
   • 方法： 在專用試驗臺上，對緊固件施加遞增的擰緊扭矩，同時精確測量產生的夾緊力。繪制扭矩(T) - 夾緊力(F)曲線，計算K值。
   • 衍生： 摩擦系數試驗（區分螺紋摩擦μ_th和支撐面摩擦μ_b）。

2. 緊固件單體力學性能試驗：

   • 拉伸試驗： 按標準（如ISO 898-1）測試螺栓、螺釘的屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷后收縮率等。
   • 保證載荷試驗： 驗證緊固件在特定載荷下不發生永久變形。
   • 楔負載試驗： 評估螺栓頭與桿部過渡區域的強度（帶楔墊拉伸）。
   • 剪切試驗： 測試緊固件抵抗橫向剪切力的能力（通常需專用夾具避免彎曲影響）。
   • 硬度試驗： 評估材料強度和熱處理效果。

3. 連接副性能試驗：

   • 拉伸載荷試驗： 對已緊固的連接副施加軸向拉伸載荷，測試其極限承載能力、剛度及失效模式（螺栓斷裂、螺紋脫扣、連接件變形/破壞）。
   • 剪切載荷試驗： 對連接副施加橫向剪切載荷，測試其抗剪強度和位移特性。
   • 組合載荷試驗： 模擬實際工況，同時或順序施加拉伸、剪切、彎曲等復合載荷。
   • 疲勞試驗： 對緊固連接施加循環載荷（拉伸、剪切或復合），測定其疲勞強度或S-N曲線（應力-壽命曲線），評估在循環載荷下的耐久性。這是預測長期可靠性的關鍵。
   • 高溫/低溫試驗： 評估溫度變化對預緊力、材料性能、松弛行為的影響。
   • 防松試驗： 在振動臺或沖擊試驗機上模擬振動、沖擊環境，測量預緊力的衰減情況，評估各種防松措施（如尼龍嵌件鎖緊螺母、涂膠、有效力矩型鎖緊螺母）的效果。
   • 應力松弛與蠕變試驗： 在恒定應變（夾緊位移）或恒定載荷下，長時間監測預緊力或變形的變化，評估材料在長期靜載下的性能衰退。

標準規范指南

標準化是確保試驗結果可靠、可比、可用的基石。大量國際和國家標準詳細規定了緊固試驗的方法、設備要求、試樣制備、試驗程序和結果報告格式。遵循這些標準對于獲得有效數據和進行公平比較至關重要。選用適宜的標準應依據具體試驗目的、緊固件類型和應用領域決定。

應用價值

緊固試驗的應用貫穿產品全生命周期：

• 設計與選型： 為連接設計提供材料性能、摩擦系數、扭矩控制策略等關鍵輸入數據。
• 質量控制（入廠/出廠）： 確保采購或生產的緊固件及組件符合規格要求。
• 工藝開發與驗證： 確定最佳的裝配工藝（如扭矩值、轉角值），驗證工藝的穩定性和可靠性。
• 失效分析： 當連接發生故障時，通過試驗復現和分析，找出失效的根本原因（如過載、疲勞、松動、材料缺陷、工藝不當）。
• 新材料/新技術評估： 評估新型緊固件材料、涂層、鎖緊技術的性能。
• 安全認證與合規性： 滿足行業法規和安全標準的要求（如汽車、航空航天、壓力容器、建筑結構）。

典型試驗流程

1. 明確目標與標準： 清晰定義試驗目的和依據的標準規范。
2. 試樣準備： 根據標準要求選擇和準備緊固件、螺母、墊圈及被連接件（材料、尺寸、表面狀態）。確保試樣清潔、無損傷。
3. 設備配置與校準： 選用合適的試驗機（拉伸試驗機、多功能試驗機、專用緊固試驗臺）、扭矩傳感器、軸力測量裝置（超聲波儀、荷載傳感器）、數據采集系統等，并在有效期內進行校準。
4. 安裝與夾持： 嚴格按照標準或試驗方案要求將試樣安裝到試驗夾具或試驗臺中，確保對中和受力均勻。
5. 執行試驗： 運行試驗程序（如施加扭矩、拉伸載荷、振動等），同時精確、實時采集所有關鍵參數（扭矩、軸力、轉角、位移、應變、循環次數等）。
6. 數據記錄與監控： 詳細記錄試驗過程中的所有數據、現象（如異響、可見變形）和環境條件。
7. 結果分析： 處理原始數據，繪制相關曲線（如T-F曲線、S-N曲線、載荷-位移曲線），計算性能參數（如K值、強度值、疲勞極限），分析失效模式。
8. 報告編制： 撰寫清晰、完整的試驗報告，包含試驗目的、依據標準、試樣信息、設備信息、試驗程序、原始數據、分析結果、圖表、失效照片（如有）和。

結語

緊固試驗絕非簡單的擰緊或拉斷操作，它是一門融合了材料力學、摩擦學、測量技術和標準化的精密科學。通過嚴謹的試驗設計和執行，它能揭示緊固連接的內在本質，為結構的強度、剛度和耐久性提供量化的保障。從微觀的螺紋嚙合到宏觀的結構安全，緊固試驗始終是工程可靠性不可或缺的守護者。深入了解和應用這些試驗方法，是確保每一處連接都堅實可靠的關鍵所在。