螺栓、螺钉和螺柱扭矩试验检测技术内容

1. 检测项目分类及技术要点

扭矩性能是螺纹紧固件机械性能的核心评价指标，主要检测项目包括：

• 1.1 紧固扭矩-夹紧力关系试验

  • 技术要点：测定施加的紧固扭矩与在螺栓/螺钉轴向上产生的夹紧力（轴向预紧力）之间的关系。关键在于精确测量轴向力，通常使用配备应变式力传感器的专用试验夹具。试验需记录扭矩-轴向力曲线，计算总摩擦系数（μtot） 和螺纹摩擦系数（μth） 与支撑面摩擦系数（μb）。试验需在恒定转速下进行，以消除动态效应影响。

• 1.2 破坏扭矩试验

  • 技术要点：对螺栓或螺钉的试件施加扭矩直至发生扭转断裂，测定其最大破坏扭矩值。适用于公称直径≤16mm、性能等级≤10.9级的螺栓螺钉（依据ISO 898-1，GB/T 3098.1）。试件应旋入具有规定硬度（通常≥45 HRC）的淬硬内螺纹夹具中，旋合长度≥1d（d为公称直径）。试验速度应保持均匀，一般不超过10r/min。

• 1.3 扭矩系数（K值）试验

  • 技术要点：扭矩系数K是一个经验常数，用于表征特定摩擦状态下扭矩与轴向预紧力的关系，计算公式为：T = K * d * F（T为扭矩，d为公称直径，F为轴向预紧力）。该试验要求在高精度扭矩-轴向力测量系统上进行，对同一批次、同一规格的至少5个试件进行测试，计算其扭矩系数的平均值和标准偏差。K值的稳定性直接影响紧固件组装的预紧力一致性。

• 1.4 保证载荷下的扭矩试验

  • 技术要点：该试验旨在验证紧固件在承受规定保证载荷时，其螺纹部分是否发生因脱扣或结合杆断裂而导致的失效。试件旋入淬硬螺纹夹具，先施加规定的保证轴向载荷并保持15秒，卸载后，在10秒内施加一个规定的扭矩（标准中明确规定）并再保持10秒，检查螺纹是否脱扣。此试验对螺纹成型质量和抗剪切能力有严格要求。

• 1.5 螺柱焊接端扭矩试验

  • 技术要点：专门用于评估焊接螺柱的焊接质量。将螺柱焊接在规定的基材上，使用专用扭矩测试仪对螺柱施加一个规定数值的扭矩（通常依据产品标准，如ISO 13918），保持至少5秒，检查焊接处是否出现裂纹或断裂。扭矩加载点距焊接面的高度有明确规定。

2. 各行业检测范围的具体要求

不同行业基于其服役条件对扭矩性能有差异化要求。

• 2.1 汽车工业

  • 要求：极为严苛，遵循VDA 235-101、ISO 16047等标准。不仅要求测定扭矩系数K，更强调对摩擦系数（总摩擦系数、支撑面摩擦系数、螺纹摩擦系数）的精确控制与分析，以优化装配工艺，防止因预紧力分散导致的松动或过载断裂。对高强度连接（如连杆、缸盖、车轮螺栓）需进行动态扭矩或转角监控测试。新能源汽车的电池包、电机等关键部位紧固件还需进行电化学环境下的扭矩衰减试验。

• 2.2 航空航天工业

  • 要求：遵循NASM 1312、NAS 3350、GB/T 3098系列等极高可靠性标准。除常规扭矩性能测试外，重点要求进行高温、低温环境下的扭矩性能试验，模拟极端温度对摩擦系数和材料性能的影响。对用于关键承力结构的紧固件，需进行振动环境下的防松扭矩试验。所有测试需具备完整的可追溯性，数据记录详尽。

• 2.3 钢结构与重型机械

  • 要求：主要依据GB/T 1231（钢结构用高强度螺栓）、GB/T 16823系列（螺纹紧固件扭矩-夹紧力试验）等。侧重于大直径、高强度螺栓（如10.9S、12.9级）的扭矩系数与轴力关系，确保摩擦型连接节点达到设计预拉力。对桥梁、风电塔筒等应用，要求进行应力松弛和长期荷载下的扭矩保持率测试。

• 2.4 通用机械与电子产品

  • 要求：通常遵循GB/T 3098.1-3098.21、ISO 898-1等基础性能标准。侧重于保证载荷扭矩试验、破坏扭矩试验及最小破坏扭矩值的符合性验证。对于自攻螺钉、自钻螺钉，需依据GB/T 3098.5、3098.11进行拧入性能试验，即测量将其拧入规定基板所需的最大扭矩。

3. 检测仪器的原理和应用

• 3.1 扭矩-轴向力综合测试系统

  • 原理：该系统是核心检测设备。采用高精度非旋转式轴向力传感器（通常为应变式）直接测量紧固件轴向力。扭矩由动态扭矩传感器（通常为应变式或相位差式）测量。伺服电机通过减速机构驱动拧紧工具头。控制系统实时同步采集扭矩、轴向力、转角和时间信号。

  • 应用：用于完成紧固扭矩-夹紧力关系、扭矩系数（K值）、摩擦系数测定等所有高级别试验。软件可自动绘制扭矩-轴向力-转角曲线，并计算关键参数。

• 3.2 静态扭矩测试仪（指针式或数显式）

  • 原理：基于弹性体形变与扭矩的线性关系。施加扭矩时，传感器内部弹性体产生形变，通过应变计转化为电信号，经放大和A/D转换后显示扭矩值。指针式则通过齿轮机构放大扭杆的角位移。

  • 应用：主要用于破坏扭矩试验、保证载荷扭矩试验以及生产现场的装配扭矩校验。设备简单便携，但通常不具备轴向力测量功能。

• 3.3 伺服控制多功能材料试验机

  • 原理：在传统电子万能试验机基础上，增加高刚性的扭矩传感器和双向扭转作动器，实现轴向拉伸/压缩与扭转的复合加载。

  • 应用：用于进行复合应力下的螺栓力学性能研究，如拉扭复合疲劳试验、模拟实际工况下的复杂载荷谱测试。

• 3.4 数据采集与分析系统

  • 原理：高速数据采集卡同步记录多通道模拟信号（力、扭矩、转角、温度等），专业软件进行分析处理。

  • 应用：是上述硬件系统的“大脑”，负责试验流程控制、数据实时显示与记录、曲线分析、报告生成及数据管理，确保试验过程符合标准并具有可追溯性。