【緊固件小課堂】螺栓楔負載試驗和螺母保證載荷

保證載荷是螺紋產(chǎn)品實物不產(chǎn)生明顯塑性變形所能承受的極限載荷，該值由產(chǎn)品的螺紋應力截面積和保證應力的乘積確定。

卸除載荷后，螺母不得脫扣或斷裂，并且可用手將螺母旋出，或借助扳手可松開螺母（不超過半扣）。對螺栓而言，卸除載荷后螺栓無明顯變長（測量誤差為±12.5微米），此載荷即為保證載荷。

為了防止螺栓失效和非預期失效，高強度螺栓需要進行楔負載試驗和螺母保證載荷試驗。在GB/T 1231—2006、GB/T 3632—2008 標準中，螺栓楔負載試驗和螺母保證載荷試驗是兩個相互獨立的試驗，需要兩套不同的工裝進行兩次試驗，分別檢驗螺栓和螺母的強度。如果能夠合并進行螺栓楔負載試驗和螺母保證載荷試驗，則能大幅提高試驗效率。

 一、 試驗設備及試驗樣品

SHT4505 微機控制電液伺服萬能試驗機，最大載荷為1 000 kN，精度為0.5級，10°楔墊。10.9S 性能等級大六角頭高強度螺栓，材質(zhì)為35VB。

二、楔負載試驗

楔負載試驗是在螺栓頭下放置一塊一定角度的楔墊，在拉力試驗機上將螺栓擰在帶有內(nèi)螺紋的專用夾具上進行拉力試驗，直至螺栓斷裂，如圖1 所示。之所以要做楔負載試驗，是因為高強螺栓等緊固件是用來固定物件的，而在固定物件的時候物件表面與緊固方向不一定是垂直的，有可能會呈現(xiàn)不同的角度，而不同角度下螺栓表現(xiàn)出來的力學性能對使用來說非常重要。

楔負載試驗可以同時測定：螺栓成品的最大拉力載荷；螺栓頭與桿部交接處的牢固性，預防發(fā)生螺栓斷頭現(xiàn)象。

斷裂時，拉力載荷應在規(guī)定的范圍內(nèi)，且斷裂應發(fā)生在螺紋部分或螺紋與螺桿交接處。圖2是3支10.9S 性能等級的M30 螺栓進行楔負載試驗的力-位移曲線，以位移速率為3 mm/min控制試驗過程。

楔負載試驗力-位移曲線的一個明顯特征是，在一定力值范圍內(nèi)，曲線呈波動形，如圖2中的AB段曲線。

圖3是10.9S 性能等級的M30 螺栓進行拉伸試驗的力-位移曲線，此時螺栓頭下放置平墊，以位移速率為3 mm/min 控制試驗過程。在螺栓發(fā)生屈服前，力與位移基本成正比關系，呈一條直線形態(tài)，不存在類似圖2中AB段的波動。

三、保證載荷試驗 

螺母保證載荷試驗是將螺母擰入螺紋芯棒，如圖4 所示，對螺母施加規(guī)定的保證載荷，持續(xù)規(guī)定的時間，螺母不應脫扣或斷裂。當卸除載荷后，應可用手將螺母旋出，或者借助扳手松開螺母（但不應超過半扣）后用手旋出。

螺母保證載荷試驗考察的是螺母螺紋部分承受載荷的能力。保證載荷試驗包括兩個主要程序：（1）借助試驗芯棒實現(xiàn)規(guī)定的保證載荷；（2）檢查有無因保證載荷造成的螺母螺紋損傷。

圖5是2支10.9S性能等級的M30螺母進行保證載荷試驗的力-時間曲線，以位移速率為3 mm/min 控制試驗過程，保證載荷為583 kN，保載15s。

在螺母保載前，力值一直勻速增加，試驗曲線呈直線形態(tài)。

四）保證載荷試驗的方法

螺栓楔負載試驗和螺母保證載荷試驗本質(zhì)上都是在拉力試驗機上進行的拉力試驗。楔負載試驗時，通常是將螺栓擰在帶有內(nèi)螺紋的專用夾具上進行拉力試驗，但現(xiàn)在考慮把螺栓擰在螺母上，以圖6 的方式裝夾試樣來進行拉伸試驗，并在載荷達到螺母規(guī)定的保證載荷時保載規(guī)定的時間，然后繼續(xù)拉伸，直至螺栓斷裂。

此試驗過程中既包括了螺栓的楔負載拉伸過程，也包括了螺母在保證載荷下保載的過程。

圖7是3支10.9S 性能等級的M30 螺栓按圖6方法進行拉力試驗，并在583 kN 載荷時保載15 s的力-時間曲線，以位移速率為3 mm/min 控制試驗過程。

在圖7 試驗曲線上也有一個明顯特征是，在一定力值范圍內(nèi)，曲線呈波動形，見CD段曲線。CD段對應的力值范圍與楔負載試驗曲線圖2 中AB段對應的力值范圍相同，對于10.9S 性能等級的M30螺栓該段力值約為200～300 kN。

通過試驗觀察可得，10.9S 性能等級的M30 螺栓進行楔負載拉伸時，當載荷約為200 kN 時，螺栓頭開始向楔面傾斜；當載荷達到300 kN 時，螺栓頭與楔面已貼合，示意圖如圖8 所示。螺栓頭開始傾斜至與楔面貼合的過程，剛好對應圖2中AB段和圖7中CD段試驗曲線。

取10.9S 性能等級的M22、M24、M27 螺栓進行楔負載拉伸，可以發(fā)現(xiàn)螺栓頭開始傾斜至與楔面貼合的過程對應的力值分別約為75～125 kN、100～200 kN 和150～250 kN。

即可以發(fā)現(xiàn)，當載荷約達到螺栓的規(guī)定最小拉力載荷的50%或約達到螺母的規(guī)定保證載荷的50%時，螺栓頭已與楔面貼合。GB/T 1231—2006、GB/T 3632—2008 標準中，螺栓的規(guī)定最小拉力載荷等于同規(guī)格螺母的規(guī)定保證載荷。

五）合并試驗的可靠性分析

合并試驗的過程與單獨進行螺母保證載荷試驗比較，根本區(qū)別是螺栓頭下面放置了楔墊。合并試驗的過程與單獨進行螺栓楔負載試驗比較，根本區(qū)別是螺栓在拉斷前，需要在規(guī)定的螺母保證載荷下保載15 s。

如果合并試驗的試驗結果要與分別進行螺栓楔負載試驗和螺母保證載荷試驗的結果保持一致，應該在合并試驗中：（1）螺母在保證載荷下不應該受到斜拉力；（2）螺母保載15 s 對螺栓的楔負載下最大拉力載荷沒有影響。

5.1 分析1

合并試驗時，如圖9 所示，螺栓頭在F點受到垂直于楔面的力，以E為支承點，螺栓上部產(chǎn)生一個彎曲載荷W，達到一定程度，螺栓上部就會發(fā)生彎曲，最終螺栓頭與楔面貼合，如圖8所示。

當拉伸載荷達到約為螺栓的規(guī)定最小拉力載荷的50%或達到約為螺母的規(guī)定保證載荷的50%時，螺栓頭就已與楔面貼合。螺栓頭與楔面貼合后，不再有彎曲載荷，螺桿受垂直拉力，與試驗機的載荷方向一致并同軸，從而螺母不會受到斜拉力。

5.2 分析2

試驗過程中，在規(guī)定的螺母保證載荷下保載15 s，因為處于常溫，保載時間又短，試驗中未觀察到螺栓有金屬蠕變現(xiàn)象。如果沒有環(huán)境介質(zhì)的影響，金屬材料的常溫靜載力學性能與載荷持續(xù)時間關系不大[4]。

本實驗室從同一批次10.9S 性能等級的M30X200 螺栓中隨機抽取16 支，然后再隨機分成兩組，每組各8支。

第1組按圖1 方式單獨進行楔負載試驗，得到最大拉力載荷為622.4、615.1、614.9、633.6、620.8、629.7、626.7、618.8 kN。測量次數(shù)n1＝8，平均xˉ1＝622.8 kN，方差S 21＝45.9 kN。

第2組按圖6 方式合并進行楔負載試驗和螺母保證載荷試驗，得到最大拉力載荷為630.9、628.1、634.8、626.0、622.4、626.0、626.7、629.9 kN。測量次數(shù)n2＝8，平均xˉ2＝628.1 kN，方差S 22＝14.2 kN。

任何顯著性差異都是由平均值的差異引起的，下面用t 檢驗確定兩組平均值之間是否有顯著性差異[5]。

在進行t 檢驗前，先進行F 檢驗，確定方差之間沒有顯著性差異。

所以兩組結果沒有顯著性差異，結果可以接受。

通過以上兩方面分析可知：合并進行螺栓楔負載試驗和螺母保證載荷試驗，沒有改變螺母保載時的受力方向，也沒有對螺栓的楔負載下最大拉力載荷產(chǎn)生影響。

此外，螺母保證載荷試驗要求，當卸除載荷后，應可用手將螺母旋出，或者借助扳手松開螺母（但不應超過半扣）后用手旋出，以證實保載后螺母螺紋的完好性。但合并試驗后，正常情況下螺母承受的載荷已超過規(guī)定的保證載荷，螺栓都已拉斷，此時螺母還能順利旋出嗎?

從100 批高強螺栓連接副中，每批隨機抽取8 副，共800 副，合并進行楔負載試驗和保證載荷試驗后，發(fā)現(xiàn)全部可用手將螺母旋出。合并試驗時，正常情況下螺栓斷裂應發(fā)生在螺桿與螺母耦合部位之間的螺紋部分，雖然斷裂部位變形嚴重，但是螺母耦合部位一般沒有明顯變形，故一般不會影響到螺母旋出。如果確有個別斷裂剛好發(fā)生在螺母耦合處，影響到螺母旋出，只要螺栓和螺母的承載已超過規(guī)定值，也應視為符合。

結論

（1）合并進行螺栓楔負載試驗和螺母保證載荷試驗，楔塊雖然使螺桿上部產(chǎn)生彎曲載荷而發(fā)生彎曲，但保載時沒有改變螺母的受力方向，螺母保載15 s也沒有對螺栓的楔負載下最大拉力載荷產(chǎn)生影響。

（2）合并進行試驗，不但試驗結果可靠，試驗效率提高，而且試驗過程更能真實反映螺栓連接副的使用環(huán)境。建議高強螺栓標準中允許合并進行螺栓楔負載試驗和螺母保證載荷試驗。