螺栓预紧力和安装扭矩

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•5.6：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）。©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL2屈服强度yieldstrength•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%)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL3屈服强度yieldstrength©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL4抗拉强度（tensilestrength）•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。•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。©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL5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）。©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL6常见强度级别螺栓/钉的机械性能对比：©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL7机械性能代号单位4.88.810.912.9公称抗拉强度σbMPa40080010001200最小抗拉强度σbminMPa420800/830(d16)10401220楔负载N与螺纹直径成比例公称屈服点σsMPa3206409001080保证应力SpMPa310580830970维氏硬度HV10-220250-320320-380385-435洛氏硬度HR——22-3232-3939-44布氏硬度HB124-209238-304304-361366-414破坏扭矩MBN.m与螺纹直径成比例断后伸长率δ%——1298断面收缩率ψ%——524844冲击吸收功AkuJ——302015©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL8安装扭矩预紧力的实现•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。©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL9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%。©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL10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。•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。©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL11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。©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL12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。©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL13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©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL14©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL152013-07-0870%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Assemblyanddesignerrors腐蚀Corrosion氢脆HydrogenEmbrittlement•失效原因及其占比©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL16FFReasons原因:-insufficienttightening不正确扭矩-toohighshearforces受到高剪切力-toosmallscrew尺寸不够-tooweakscrew级别不够-lowfriction太低摩擦系数-preloadlossduetoseating塌陷安装和设计错误Securelyfastenedjoints©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL17Fracturebyfatigue疲劳断裂缺陷及失效模式安装和设计错误Torsionalfracture扭矩断裂Securelyfastenedjoints©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL18Strippingofanutthread螺母脱扣缺陷及失效模式安装和设计错误Securelyfastenedjoints©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL19缺陷及失效模式安装和设计错误•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：©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL20Tighteningofaboltedjoint好似螺栓被拉长，工件被压缩缺陷及失效模式安装和设计错误Securelyfastenedjoints©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL21Tighteningofscrewsandnuts拧紧螺栓和​​螺母SecurelyfastenedjointsToachieveaspecifictension...IfMDinput=100Nma.Frictioninthethread,µG?b.Frictionunderthehead,µK?c.Clampingforce,Fv?30~40%~50%10~20%ClampingforceFVTorqueMDµKµG缺陷及失效模式安装和设计错误©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL22PreloadwithTighteningTorque预加载拧紧力矩缺陷及失效模式安装和设计错误©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL23PreloadwithTighteningTorque预加载拧紧力矩缺陷及失效模式安装和设计错误©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL24设计装配错误腐蚀20%70%10%质量及其它螺丝断裂的主要原因©AdolfWürthGmbH&Co.KG,Künzelsau,08.07.2013PRÄSENTATIONSTITEL25设计装配错误腐蚀20%70%10%质量及其它螺丝断裂的主要原因©Adol