【紧固件小课堂】螺栓楔负载试验和螺母保证载荷

保证载荷是螺纹产品实物不产生明显塑性变形所能承受的极限载荷，该值由产品的螺纹应力截面积和保证应力的乘积确定。

卸除载荷后，螺母不得脱扣或断裂，并且可用手将螺母旋出，或借助扳手可松开螺母（不超过半扣）。对螺栓而言，卸除载荷后螺栓无明显变长（测量误差为±12.5微米），此载荷即为保证载荷。

为了防止螺栓失效和非预期失效，高强度螺栓需要进行楔负载试验和螺母保证载荷试验。在GB/T 1231—2006、GB/T 3632—2008 标准中，螺栓楔负载试验和螺母保证载荷试验是两个相互独立的试验，需要两套不同的工装进行两次试验，分别检验螺栓和螺母的强度。如果能够合并进行螺栓楔负载试验和螺母保证载荷试验，则能大幅提高试验效率。

 一、 试验设备及试验样品

SHT4505 微机控制电液伺服万能试验机，最大载荷为1 000 kN，精度为0.5级，10°楔垫。10.9S 性能等级大六角头高强度螺栓，材质为35VB。

二、楔负载试验

楔负载试验是在螺栓头下放置一块一定角度的楔垫，在拉力试验机上将螺栓拧在带有内螺纹的专用夹具上进行拉力试验，直至螺栓断裂，如图1 所示。之所以要做楔负载试验，是因为高强螺栓等紧固件是用来固定物件的，而在固定物件的时候物件表面与紧固方向不一定是垂直的，有可能会呈现不同的角度，而不同角度下螺栓表现出来的力学性能对使用来说非常重要。

楔负载试验可以同时测定：螺栓成品的最大拉力载荷；螺栓头与杆部交接处的牢固性，预防发生螺栓断头现象。

断裂时，拉力载荷应在规定的范围内，且断裂应发生在螺纹部分或螺纹与螺杆交接处。图2是3支10.9S 性能等级的M30 螺栓进行楔负载试验的力-位移曲线，以位移速率为3 mm/min控制试验过程。

楔负载试验力-位移曲线的一个明显特征是，在一定力值范围内，曲线呈波动形，如图2中的AB段曲线。

图3是10.9S 性能等级的M30 螺栓进行拉伸试验的力-位移曲线，此时螺栓头下放置平垫，以位移速率为3 mm/min 控制试验过程。在螺栓发生屈服前，力与位移基本成正比关系，呈一条直线形态，不存在类似图2中AB段的波动。

三、保证载荷试验 

螺母保证载荷试验是将螺母拧入螺纹芯棒，如图4 所示，对螺母施加规定的保证载荷，持续规定的时间，螺母不应脱扣或断裂。当卸除载荷后，应可用手将螺母旋出，或者借助扳手松开螺母（但不应超过半扣）后用手旋出。

螺母保证载荷试验考察的是螺母螺纹部分承受载荷的能力。保证载荷试验包括两个主要程序：（1）借助试验芯棒实现规定的保证载荷；（2）检查有无因保证载荷造成的螺母螺纹损伤。

图5是2支10.9S性能等级的M30螺母进行保证载荷试验的力-时间曲线，以位移速率为3 mm/min 控制试验过程，保证载荷为583 kN，保载15s。

在螺母保载前，力值一直匀速增加，试验曲线呈直线形态。

四）保证载荷试验的方法

螺栓楔负载试验和螺母保证载荷试验本质上都是在拉力试验机上进行的拉力试验。楔负载试验时，通常是将螺栓拧在带有内螺纹的专用夹具上进行拉力试验，但现在考虑把螺栓拧在螺母上，以图6 的方式装夹试样来进行拉伸试验，并在载荷达到螺母规定的保证载荷时保载规定的时间，然后继续拉伸，直至螺栓断裂。

此试验过程中既包括了螺栓的楔负载拉伸过程，也包括了螺母在保证载荷下保载的过程。

图7是3支10.9S 性能等级的M30 螺栓按图6方法进行拉力试验，并在583 kN 载荷时保载15 s的力-时间曲线，以位移速率为3 mm/min 控制试验过程。

在图7 试验曲线上也有一个明显特征是，在一定力值范围内，曲线呈波动形，见CD段曲线。CD段对应的力值范围与楔负载试验曲线图2 中AB段对应的力值范围相同，对于10.9S 性能等级的M30螺栓该段力值约为200～300 kN。

通过试验观察可得，10.9S 性能等级的M30 螺栓进行楔负载拉伸时，当载荷约为200 kN 时，螺栓头开始向楔面倾斜；当载荷达到300 kN 时，螺栓头与楔面已贴合，示意图如图8 所示。螺栓头开始倾斜至与楔面贴合的过程，刚好对应图2中AB段和图7中CD段试验曲线。

取10.9S 性能等级的M22、M24、M27 螺栓进行楔负载拉伸，可以发现螺栓头开始倾斜至与楔面贴合的过程对应的力值分别约为75～125 kN、100～200 kN 和150～250 kN。

即可以发现，当载荷约达到螺栓的规定最小拉力载荷的50%或约达到螺母的规定保证载荷的50%时，螺栓头已与楔面贴合。GB/T 1231—2006、GB/T 3632—2008 标准中，螺栓的规定最小拉力载荷等于同规格螺母的规定保证载荷。

五）合并试验的可靠性分析

合并试验的过程与单独进行螺母保证载荷试验比较，根本区别是螺栓头下面放置了楔垫。合并试验的过程与单独进行螺栓楔负载试验比较，根本区别是螺栓在拉断前，需要在规定的螺母保证载荷下保载15 s。

如果合并试验的试验结果要与分别进行螺栓楔负载试验和螺母保证载荷试验的结果保持一致，应该在合并试验中：（1）螺母在保证载荷下不应该受到斜拉力；（2）螺母保载15 s 对螺栓的楔负载下最大拉力载荷没有影响。

5.1 分析1

合并试验时，如图9 所示，螺栓头在F点受到垂直于楔面的力，以E为支承点，螺栓上部产生一个弯曲载荷W，达到一定程度，螺栓上部就会发生弯曲，最终螺栓头与楔面贴合，如图8所示。

当拉伸载荷达到约为螺栓的规定最小拉力载荷的50%或达到约为螺母的规定保证载荷的50%时，螺栓头就已与楔面贴合。螺栓头与楔面贴合后，不再有弯曲载荷，螺杆受垂直拉力，与试验机的载荷方向一致并同轴，从而螺母不会受到斜拉力。

5.2 分析2

试验过程中，在规定的螺母保证载荷下保载15 s，因为处于常温，保载时间又短，试验中未观察到螺栓有金属蠕变现象。如果没有环境介质的影响，金属材料的常温静载力学性能与载荷持续时间关系不大[4]。

本实验室从同一批次10.9S 性能等级的M30X200 螺栓中随机抽取16 支，然后再随机分成两组，每组各8支。

第1组按图1 方式单独进行楔负载试验，得到最大拉力载荷为622.4、615.1、614.9、633.6、620.8、629.7、626.7、618.8 kN。测量次数n1＝8，平均xˉ1＝622.8 kN，方差S 21＝45.9 kN。

第2组按图6 方式合并进行楔负载试验和螺母保证载荷试验，得到最大拉力载荷为630.9、628.1、634.8、626.0、622.4、626.0、626.7、629.9 kN。测量次数n2＝8，平均xˉ2＝628.1 kN，方差S 22＝14.2 kN。

任何显著性差异都是由平均值的差异引起的，下面用t 检验确定两组平均值之间是否有显著性差异[5]。

在进行t 检验前，先进行F 检验，确定方差之间没有显著性差异。

所以两组结果没有显著性差异，结果可以接受。

通过以上两方面分析可知：合并进行螺栓楔负载试验和螺母保证载荷试验，没有改变螺母保载时的受力方向，也没有对螺栓的楔负载下最大拉力载荷产生影响。

此外，螺母保证载荷试验要求，当卸除载荷后，应可用手将螺母旋出，或者借助扳手松开螺母（但不应超过半扣）后用手旋出，以证实保载后螺母螺纹的完好性。但合并试验后，正常情况下螺母承受的载荷已超过规定的保证载荷，螺栓都已拉断，此时螺母还能顺利旋出吗?

从100 批高强螺栓连接副中，每批随机抽取8 副，共800 副，合并进行楔负载试验和保证载荷试验后，发现全部可用手将螺母旋出。合并试验时，正常情况下螺栓断裂应发生在螺杆与螺母耦合部位之间的螺纹部分，虽然断裂部位变形严重，但是螺母耦合部位一般没有明显变形，故一般不会影响到螺母旋出。如果确有个别断裂刚好发生在螺母耦合处，影响到螺母旋出，只要螺栓和螺母的承载已超过规定值，也应视为符合。

结论

（1）合并进行螺栓楔负载试验和螺母保证载荷试验，楔块虽然使螺杆上部产生弯曲载荷而发生弯曲，但保载时没有改变螺母的受力方向，螺母保载15 s也没有对螺栓的楔负载下最大拉力载荷产生影响。

（2）合并进行试验，不但试验结果可靠，试验效率提高，而且试验过程更能真实反映螺栓连接副的使用环境。建议高强螺栓标准中允许合并进行螺栓楔负载试验和螺母保证载荷试验。