拧紧技术篇
一.螺栓的预紧力
预紧力：螺栓在装配拧紧时,使拧紧的螺纹组合件预先受到一个力的作用，这个力即为预紧力。
预紧力的大小的影响：直接影响联接的可靠性、紧密性、疲劳强度、防松性能和在承受载荷后被联接件间产生缝隙或发生相对滑移的可能性。
无数事实证明：适当地增加预紧力对提高紧固的可靠性和避免上述因素(产生缝隙或发生相对滑移等)是有益的。
但过大的预紧力却会使螺栓在装配拧紧过程中因应力过大（过载）而发生拉长或断裂，所以在设计时既要有较高的预紧力而又要在安全工作范围内，使之在拧紧过程和承受工作载荷过程中不发生过载现象。
1. 不正确的预紧力对组合件的影响
（1）螺栓的静态失效；过大的预紧力将会使螺栓拉长甚至断裂或溃牙。
（2）联接件的静态失效；
a) 压溃：过大的预紧力可能会使薄壁壳体如：法兰、缸盖等压溃，在承受工作载荷时导致连接体破裂；
b) 联接不可靠：过小的预紧力导致联接件联接不可靠，紧密性差联接件分离(即出现漏气、滴油)和产生滑移现象(许多联接件都依靠联接件之间的摩擦力来抵抗剪切强度，而此摩擦力是靠螺栓的预紧力来保证的，若预紧力过小，则联接件就会产生滑移，
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即意味着联接体产生移位，严重的导致螺栓被剪断)等现象。 （3）螺栓的疲劳失效：大多数螺栓在使用时以疲劳的形式失效，较大的预紧力增加了螺栓的平均应力，因此可能使疲劳寿命缩短。
(但较大的预紧力也可以减少螺栓所承受的预紧力的偏差。实际的效果是适当偏大的预紧力几乎总是会提高螺栓的疲劳寿命)。
由此可见：我们需要的是正确的预紧力。预紧力过大是有害的，过小也是无益的。在极大多数情况下，需要的是均匀的预紧力。一组螺纹联接紧固件，若预紧力有大有小，将会使这组螺栓受力各不相同，不能均匀地承受工作载荷，那么这一组联接件可能会在较短时间内失效。
2. 承受预紧力和工作拉力的螺纹联接
承受预紧力和工作拉力的螺纹联接形式是最常见和最重要的一种联接，这种螺纹联接在承受轴向工作载荷后，由于螺栓和被联体的弹性变形螺栓所受的总拉力并不是等于预紧力和工作拉力之和。根据理论分析，螺栓的总拉力除和预紧力Qp，工作拉力F有关外，还受到螺栓刚度Cb和被联接件刚度Cm等因素的影响。现以模拟疲劳试验过程的变形和受力分析如下： 如图三种情况表示了螺栓的三种线弹性受力状态：
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a b c
图1. 螺栓三种受力状况
上图中：
a). 螺母刚好拧到和被联接件相接触，尚未拧紧，这种情况螺栓和被联接件都不受力，因而没有产生变形。
b). 螺母已拧紧，但未承受工作载荷，这时螺栓承受预紧力Qp的拉伸作用，伸长量为λb，相反被联接件在Qp的压缩作用下压缩量为λm。
c). 在承受工作载荷时的情况：
若螺栓和被联接件处于弹性变形范围内，施加的工作拉力F后，螺栓的受力从原来的Qp增至Q，对应的变形增量为△λ，总伸长量为λb+△λ；
因螺栓受拉伸长，原来被压缩的被联接件的压缩量随之减小到λm′，被联接件的总压缩量为λm′=λm—△λ；
此时被联接件压缩力由Qp减至Qp′，（Qp′——称为残余预紧力），显然，施加工作拉力F后，螺栓总拉力Q并不等于预紧力Qp与工作拉力F之和，而是残余预紧力Qp′和工作拉力F之和：Q= Qp′＋F。
为保证联接的可靠性、紧密性，以防止在承受轴向工作拉力后接合面间产生缝隙，应使Qp′＞0。
对有密封性要求高的联接，残余预紧力Qp′=（1.5~1.8）F 一般联接工作载荷强度时，残余预紧力Qp′=（0.2~0.6）F
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工作载荷不稳定时，残余预紧力Qp′=（0.6~1.0）F 为直观地表达上述分析，以图示方式表示螺栓与被联接件的受力和变形协调关系。
a b c
图2. 单个螺栓受力变形图
如图a）螺栓拉伸变形量λb，由坐标原点O向右量起；如图b）被联接件压缩变形量λm由坐标原点O向左量起。
图a）、b）分别表示螺栓和被联接件的受力和变形关系，在未受工作载荷时，螺栓拉力和被联接件的压缩力都等于预紧力Qp 。
图c）表示已承受工作载荷F时的情况，（将图2中的a、b合并）
由图可得 ： Cb =tgθb= Cm=tgθm =
Qp
λb
Cb—螺栓的刚度 (1) Cm—被联接件刚度 (2)
Qp
λM
Qp=Qp′+（F－△F） (3)
Cb
式中： △F=F (4)
Cb+Cm
将（4）式代入（3）式得螺栓预紧力：
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CbCm
Qp=Qp′+(1－)F= Qp′+F
Cb+CmCb+Cm
(5)
螺栓的总拉力：
Cb
Q=Qp+△F=Qp+F
Cb+Cm
(6)
Cb
式中：称为螺栓的相对刚度，其大小与螺栓和被联
Cb+Cm
接件的材料，结构尺寸及垫片情况，工作载荷的作用位置等因素有关。
1实验表明应力幅度是影响预紧螺栓联接副疲劳性能的主结论：○
要因素之一。
2受轴向模似载荷的预紧螺栓联接副，○在最小应力不变的
条件下，应力幅度越小，则联接副越不易发生疲劳破坏。当联接副所受的试验载荷在0~F之间变化时，则螺栓的总拉力将在Qp~Q之间变化。
3由（6）式可知，在保持预紧力Qp不变的条件下，减小○
螺栓刚度Cb或增大被联接件刚度Cm均可达到减小总拉力Q的变化范围的目的。另外，试验结果表明，适当选用较大的预紧力对螺栓联接副疲劳性能是有利的。
4由（5）式可知，当Qp较大时，可以保证联接副有足够○
的残余预紧力Qp′。
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图3、图4及图5分别示出了单独降低螺栓刚度Cb，单独增增大Cm和增大Qp时，螺栓大被联接件刚度Cm及同时减低Cb，
的载荷变化情况。可见这些措施均可减小螺栓的应力幅度，特别是图5措施下可使应力幅度有较大的减小，从而可以提高预紧螺栓联接副抗疲劳破坏的能力。
由以上螺栓联接副的受力和变形关系分析可知：预紧螺栓联接副承受轴向疲劳载荷时，螺栓总拉力Q等于残余预紧力Qp′与轴向力F之和。
即Q= Qp′+F。为工程中合理、安全使用预紧螺栓联接副提供了条件。预紧螺栓联接副服役过程中，需要保证足够的残余预紧力，一旦该预紧力为零，被联接件间将出现缝隙，此时Q=F，即螺栓拉力等于外载荷，联接副处于危险状态。高应力区的试验结果表明：当试验机模似的外载荷大于螺栓静强度的70%。残余预紧力为零时，预紧螺栓联接副在104周次数量级即失效破坏。可见，保证足够的残余预紧力是预紧螺栓联接副在服役过程中不发生
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失效破坏的必要条件。 3. 预紧力的确定
（1）确定预紧力的二大因素：
一般总是想有较大的预紧力，可使组合件联接可靠，但在设计预紧力时必须考虑下列因素：
a）螺栓、螺母的性能等级和被联接体的刚度。 b）考虑联接的重要性、安全性应取较符合实情的安全系
数。
（2）螺栓受力情况分析
a）螺栓在拧紧时，螺栓除受预紧力Qp作用而产生的拉伸应力外，还受螺纹摩擦力矩扭转而产生的扭转剪应力，这样使螺栓在拧紧过程中承受拉伸和扭转的复合应力。
b）螺栓在装配拧紧过程中，产生一定的变形（弹性变形），
如在各个接触表面的螺纹牙体，螺纹杆部等都会产生一定程度的或局部的塑性变形，但螺纹联接只要不断裂、不脱扣和不松动，此联接就不会失效，就不会影响整体的工作性能。实际上除极个别情况外，螺栓出现弹性变形和一定程度的塑性变形，不仅是正常的也是合理的。
一般机械另件设计其强度时以σs为依据，再考虑安全系数来确定各种情况下的许用应力，但对螺栓来说，由于上述原因对此依据应作一定的修正。
（3）预紧力的计算：
a)螺栓承受的应力计算：
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由上述可知螺栓在拧紧时处于承受拉伸应力和扭转剪应力的复合应力状态，因此根据强度理论，可求出螺栓预紧状态下的当量应力σv：
σv=σ2+3τ2≈1.3σ （7）
式中：σv—螺栓拧紧时在复合应力下的当量应力 τ—螺栓承受的扭剪应力。
σ—螺栓承受的拉应力。
b）预紧力的计算
考虑螺栓在拧紧时不屈服即拧紧时的螺栓在承受 复合应力情况下保证不出现塑性变形必须是：
σv=1.3σ≤Sp （8）
式中：Sp——保证应力 一般情况下：Sp≈0.9σs， 或Sp
≈0.9σp0.2
代入式（8）得：
σv=1.3σ≤0.9σp0.2 σ≤σp0.2
由此可得预紧力Qp ：（或用符号F表示）
0.9σp0.2
1.3
≤0.7
Qp =F=0.7σp0.2 ·As （9） 式中：As—螺栓螺纹的应力截面积 根据苏联资料分析：平均循环应力对极限振幅有影响，而且对合金钢螺栓的影响较强，所以高强度螺栓在重要联接时取值为： F=（0.5~0.6）σp0.2·As
根据《机械设计手册》为了充分发挥出螺栓的工作能力和保证预紧的可靠性，通常应使螺栓拧紧后的预紧应力为： σ预
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紧应力
=（0.5~0.7）σp0.2
手册中着重讲述到：小直径螺栓在拧紧时容易发生过载现象，严重的导致拧断，操作时必须严格控制紧固扭矩（即严格控制预紧力）。
设计预紧力时还应考虑到螺栓承受外部最大载荷时有一定的安全系数，以避免联接的不可靠而造成联接的脱开或滑移，安全系数n见下表：
装配情况 紧联接 （不控制预紧力） 紧联接 （控制预紧力） 松联接 n 材料 碳素钢 合金钢 碳素钢 合金钢 碳素钢 合金钢 静 载 荷 变 载 荷 M6~M16 M16~M30 M6~M16 M16~M30 4.0~3.0 3.0~2.0 10~6.5 6.5 5.0~4.0 4.0~2.5 7.5~5.0 5.0 1.2~1.5 1.2~1.5 1.2~1.5 1.2~1.5 1.2~1.7 — 由上可得： 设计预紧力公式：F=
(0.5~0.7)σp0.2
(1.2~1.5)
·As
取n=1.2 则公式为：Fmin≈0.42σp0.2·As （10）
Fmax≈0.58σp0.2·As （11）
按式（10）和式（11）可计算出：当n=1.2时的设计预紧力，设计预紧力与标准预紧力（见QC/T518）比较表（见下表）：表中：性能等级——8.8级： σp0.2=640 N/mm2 性能等级——10.9级：σp0.2=940 N/mm2 预紧力计算值与标准值比较表
规 格 M6
M8
As （mm2）
强度等级8.8级 强度等级10.9级
标准预紧力标准预紧力
设计预紧力 设计预紧力
（QC/T518） （QC/T518）
20.1 5400~7500 6000~7300 7900~11000 8000~9300 36.6 9800~13600 10500~12500 14400~20000 14500~17500 上海途博工业技术有限公司
M8×1 39.2 10500~14600 11000~13500 15500~21400 16000~19500 M10 58 15600~21500 16400~20400 22900~31600 23200~28400 61.2 16500~22700 18000~22000 24200~33400 25200~30800 M10×1.25
64.5 17300~23900 18400~22400 25500~35200 26000~31600 M10×1
M12 84.3 22700~31300 24300~29700 33300~46000 35000~42700 88.1 23700~32700 25000~30700 34800~48000 35300~43300 M12×1.5
92.1 24800~34200 26000~32000 36400~50200 37700~46000 M12×1.25
M14 115 30900~42700 34900~42600 45400~62700 45700~55700 125 33600~46400 36000~44000 49400~68200 50900~62300 M14×1.5
M16 157 42200~58300 45500~55500 62000~85600 61800~72500 167 44900~62000 49800~60800 65900~91000 66300~77800 M16×1.5
【附：钢结构、 桥梁等用的高强度螺栓，日本在1959年规定螺栓的设计预紧力用屈服点的85%，以后随高强度材料的应用，现在标准对F8T（相当8.8级），采用屈服点的85%，对F10T（相当10.9级），为70~75%，其设计预紧力都约为破坏载荷的65%，即：设计预紧力公式：
F=0.85σp0.2·As （8.8级） F=0.7σp0.2·As （10.9级） 或 F=0.65σb·As 为确保螺栓的设计预紧力，以设计预紧力的110%作为施工时的螺栓标准预紧力，而采用转动螺母的方法拧紧螺栓，由螺母的转动量导入使螺栓超过了屈服点的轴力，使之与螺栓标准预紧力相比高了约10%，经实践使用，关于拧紧后可能产生的松弛等现象确认在一般情况下是没有问题的。 钢结构用高强度螺栓设计预紧力公式：
保 证 载 荷
设 计 载 荷
备 注
日本
德国
美国 0.7σb·As 英国 0.7σb·As
F8T F10T 0.85σp0.2·Ac 0.75σp0.2·Ac
0.72σp0.2·Ac 10K（8G）
设计载荷=保证载荷
设计载荷=保证载荷
设计载荷=0.85保证载荷
普通螺栓 精制螺栓
钢结构用高强度螺栓设计预紧力和施工预紧力对照表
规格
As (mm2)
设 计 预 紧 力
F=0.7σp0.2·As F=0.65σb·As
55 KN 57 KN 103 KN 106 KN 161 KN 166 KN 199 KN 205 KN 232 KN 239 KN 302 KN 310 KN 369 KN 379 KN
标准YB9254
55 KN 100 KN 155 KN 190 KN 220 KN 290 KN 355 KN
施工预紧力 标准YB9254 60 KN 110 KN 170 KN 210 KN 250 KN 320 KN 390 KN
M12 84.3 M16 157 M20 245 M22 303 M24 353 M27 459 M30 561
注：10.9级：σp0.2=940 N/mm2， σb =1040 N/mm2 】
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二．螺栓的拧紧
螺栓、螺母联接是机械联接中最常见，最重要的联接方式之一，如何使螺纹联接更为安全可靠是世界各国紧固件行业研究的重要课题，对螺纹联接的重要性越来越得到重视，因为螺纹联接的失效是常见的故障之一。那么螺纹联接失效的原因何在呢？既有螺纹件材质、加工质量、热处理等问题，更重要的是螺纹联接的拧紧控制问题（拧不紧或超拧,导致联接失效）。本节就螺纹的拧紧技术作一叙述。一般情况下螺纹紧固件联接的效果取决于最初拧紧的程度（即预紧力）。在紧固件和被联接件强度允许的情况下，预紧力越大，联接越安全可靠，疲劳寿命越高。但在计算预紧力和设计拧紧施工方案时必须考虑：螺栓的屈服强度、极限强度、蠕变和松弛及被联接体的刚度而引起的轴力（预紧力）的减小和拧紧螺栓时螺栓轴力的偏差问题。
螺栓拧紧的方法目前常采用扭矩控制法和扭矩—转角控制法两种。
1.扭矩控制法
旋转螺栓或螺母时利用施加的扭矩T值和螺栓的预紧力F之间的关系所规定的一种拧紧方法称为扭矩控制法，简称扭矩法。
1).紧固扭矩和螺栓的预紧力
拧紧螺栓时施加的扭矩T和螺栓的预紧力F之间的关系在机械原理研究上早已得出结论，可用下式表示：
T=
F
2
｛d2·tg（ρ+β）+μw·Dw｝
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式中：T—装配时施加的紧固扭矩；N·m F—螺栓的预紧力；KN
d2—螺纹中径；mm P—螺距；mm μs—螺纹面摩擦系数 α
′—螺纹半角
μs
ρ—螺纹面的当量摩擦角；tgρ= β—螺纹升角； tg
cosα'
β=
P πd2
μw —支承面摩擦系数
33
2dW−dh
Dw —支承面摩擦力矩等效直径；mm Dw=×≈22
3dW−dh
1.3d
dw — 接触的支承面外径 dh —接触的支承面内径
μs
+tgβF
上式演算： T={d2cosα'21−μstgβcosα'
+μw·Dw}
μsFtgβcosα′
={d2(+)+μw ·Dw}
2cosα′−μstgβcosα′−μstgβ因μs·tgβ的值很小，设μs·tgβ=0，代入上式得：
μF
T=（d2s+d2tgβ+μw ·Dw） （12） 2cosα′
由式（12）可知：拧紧时施加的紧固扭矩可分为三项：
μsF
a) TS=·d2·
2cosα'
（13）
TS为：拧紧螺栓时克服螺纹面摩擦消耗的扭矩。是在拧
紧时，由螺母螺纹的斜面作用在螺栓螺纹上所产生的扭转的扭矩分量。
F
b） T′=·d2·tgβ （14）
2
T′为：拧紧螺栓时，螺栓伸长消耗的扭矩。
F
c） Tw=·μw·Dw （ 15）
2
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Tw为：拧紧螺栓时，克服支承面摩擦消耗的扭矩。是在拧紧时，由螺母端面与垫圈或被联接件之间摩擦力所产生的反作用扭矩。
若将配套紧固件有关尺寸代入上述（13）、（14）、（15）式，并设定摩擦系数和预紧力，即可求出每个分量，如下表：
1 2 3 4
μs=μw 0.15 0.16 0.18 0.20
T′ 0.24 F 0.24 F 0.24 F 0.24 F
Ts 0.78 F 0.84 F 0.94 F 1.04 F
Tw 0.99 F 1.06 F 1.19 F 1.32 F
T′: Ts: Tw 0.11: 0.39: 0.49 0.11: 0.39: 0.50 0.10: 0.40: 0.50 0.09: 0.40: 0.51
注：1. 上述数据以M10六角螺栓为计算样本 2. 假设μs=μw
由上表可见：螺栓拧紧时扭矩消耗分配情况如下： 克服支承面摩擦消耗的扭矩约占紧固总扭矩的50%。
克服螺纹面摩擦消耗的扭矩约占紧固总扭矩的40%。
螺栓伸长（转化为轴力）所消耗的扭矩仅占紧固总扭矩的10%左
右。如下图：
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2) 扭矩系数
上述分析计算可知：紧固时的总扭矩中只有10%为有效扭矩
——使螺栓产生预紧力；而90%的扭矩以克服摩擦力形式而消耗。了解了紧固时扭矩分配的情况有助于确定最佳紧固扭矩，这就引进扭矩系数这个概念。
μF
（d2s+d2tgβ+μw·Dw）=KFd 2cosα'
式中的K即为扭矩系数
μs1
K=（d2+d2tgβ+μw·Dw）
2dcosα'
（16）
式中：d——螺纹公称直径 mm 式中其它符号含义
由式（12）得：T=同前
由式（16）可知扭矩系数是螺纹形状、螺纹间摩擦系数和支承面摩擦系数的函数。
式（16）中的μS和μW的计算：取与螺栓屈服点或屈服极限对应的螺栓轴力F的50%~80%范围内任一点，测定紧固轴力
F、螺纹扭矩Ts和支承面扭矩Tw，将测得的数值分别代入式（17）和式（18）即可求出μS和μW。
螺
纹面摩擦系数： μ
S
2Ts⋅cosα′
=
d2⋅F
W
（17）
支承面摩擦系数： （18）
式中Dw含义同前
μ
=
2Tw
Dw⋅F
由此可知：扭矩系数K综合了螺栓在拧紧过程中紧固扭矩
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和预紧力之间关系的所有因素。这些因素包括了二大类：
第一类：可预测量——通过仪器，测试设备等手段可以测得的数值。
第二类：不可预测量——由于目前技术条件和认识水平限制，甚至还有不少因素还是未知的，不能测得的数值。
由于这些未知因素的存在，采用扭矩控制法时，必须按实际情况确定K值。也就是必须对供货商提供的产品按同批、同规格进行试验，求出扭矩系数K的平均值和标准偏差。并计算出输入紧固扭矩，方可使同批的紧固件获得较为理想的预紧力。
由于未知因素的存在，测得的μS 和μW 也一定存在最大值和最小值，于是引起扭矩系数K的离散度，将测得的（μsmax，μwmax）和（μsmin，μwmin）代入式（16）得：
μ1
（d2smax+d2tgβ+μwmax·Dw） 2dcosα'
μ1
Kmin=（d2smin+d2tgβ+μwmin·Dw）
2dcosα'
※ 例：K值按式（16）计算: 取M8×1.25为例：
Kmax=
; μS =μW =0.25; α′=30°； d=8mm； d2=7.188mm
1.25p
=0.05535； =tgβ=
πd27.188×πDw≈1.3d=1.3×8=10.4mm；代入式（16）得：
β—螺纹升角 Dw —支承面摩擦力矩等效直径
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μs110.25
+7.188 K=（d2+d2tgβ+uw·Dw） =（7.188×
2dcosα'160.866
×0.05535+0.25×10.4） =0.317
按此方法计算可得：螺纹摩擦系数μS 、支承面摩擦系数μW与扭矩系数K的对照表（如表1、表2）
（参照GB/T 16823.2 附录A） 表2：细牙 表1：粗牙系列：
系列：（参照GB/T 16823.2 附录 表1 粗牙螺纹.六角头螺栓、螺母
0.08 0.10 0.12 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.08 0.10 0.12 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.08 0.10 0.12 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.117 0.130 0.143 0.1630.127 0.140 0.153 0.1730.138 0.151 0.164 0.1840.154 0.167 0.180 0.1990.180 0.193 0.206 0.2260.206 0.219 0.232 0.2520.232 0.245 0.258 0.2780.258 0.271 0.285 0.3040.285 0.298 0.311 0.3300.311 0.324 0.337 0.3570.1950.2060.2160.2320.2580.2840.3110.3370.3630.390
0.2280.2390.2490.2650.2910.3170.3430.3700.3960.422
0.2610.2710.2830.2970.3240.3500.3760.4020.4290.455
0.294 0.3260.304 0.3370.314 0.3470.330 0.3630.356 0.3890.383 0.4150.409 0.4420.435 0.4680.461 0.4940.487 0.5200.3590.3690.3800.3960.4220.4480.4740.5000.5270.553
表2 细牙螺纹. 六角头螺栓、螺母
0.08 0.10 0.12 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.110 0.1230.121 0.1340.132 0.1450.148 0.1610.175 0.1880.202 0.2150.229 0.2420.256 0.2690.283 0.2960.310 0.3230.155 0.1360.147 0.1660.157 0.1770.174 0.1930.201 0.2200.228 0.2470.255 0.2740.282 0.3010.309 0.3280.336 0.3560.1870.1980.2090.2250.2520.2790.3060.3340.3610.388
0.2190.2300.2410.2570.2840.3120.3390.3660.3930.420
0.2520.2630.2730.2900.3170.3440.3710.3980.4250.452
0.284 0.316 0.3480.295 0.327 0.3590.306 0.338 0.3700.322 0.354 0.3860.349 0.381 0.4130.376 0.408 0.4400.403 0.435 0.4680.430 0.462 0.4950.457 0.490 0.5220.484 0.517 0.549
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K值是μs和μw的函数，由于螺栓、螺母加工精度，形状误差，是否有表面润滑等影响而造成K值的变动范围是很大的。
※例：以
M10为例：
μs11p
++μw·Dw）=（10.42μs+ 0.48 + 13.0 K=（d2·2dcosα'π20
×μw）
μs=μw则： 当μs=μw≤0.10时，计算得：K≤0.142 现取：
计算得：K≤0.201 当μs=μw≤0.15时，
计算得：K≤0.260 当μs=μw≤0.20时，
即使同批规格相同的螺栓、螺母，由于保管不当， 由此可见：
，而造成K值变化，从搬运碰撞等原因使得μs或μw发生变化，
而造成预紧力相差很大，很可能同批紧固件，用相同扭矩而造成拧不足或超拧现象，所以采用扭矩控制法，应加强对高强度螺栓管理工作。
3) 扭矩系数与预紧力的关系
由式（12）可得：T=K·F·d，可见预紧力F与紧固扭矩T在弹性范围内是呈线性关系，如下表
序号 1 2 3
T K F 恒定值 ↑ ↓ 恒定
↑ ↓ 恒定值 恒定
↓ ↑ ↑ ↓ 恒定
说 明
当扭矩T恒定时，扭矩系数K的变化引起预紧
力的变化。操作施工时易引起拧不足或超拧 扭矩系数K恒定，扭矩与预紧力成正比。操作施工时易掌握，可获理想的预紧力
理想状态。实际有许多未知因素，不可能达到
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图1 图2
图1所示，T为恒定值，螺栓的实际扭矩系数变化时，引起预紧力有很大幅度的变化。
图2所示，同规格螺栓并有相同扭矩系数K值，则施加的紧固扭矩T与预紧力F成正比。由此可见：虽然采用扭矩控制法是高强度螺栓拧紧施工最简便，最经济的方法，但拧紧的可靠性全凭扭矩系数K值是否基本一致。 4) 扭矩系数的测试方法
扭矩系数的测试是在轴力机（或测力环）上进行，每套（指一个螺栓、一个螺母、一个垫圈）只能测试一次，不得重复使用。因为测试后，螺栓、螺母、垫圈的接触部份的表面状态均已改变，所以重复试验所得出的数据已没有意义。
(1).扭矩系数K值的测试
a).扭矩系数计算公式：K=
T
F⋅d
式中： K—扭矩系数 T—紧固扭矩 N.m
F—螺栓预紧力 KN d—螺栓直径 mm
b).紧固扭矩T，其误差不得大于测试扭矩值的1%，使用的扭矩扳手的示值应在9.8 N·m以下。螺栓预紧力F用轴力机
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（或测力环）测定，其误差不得大于测定螺栓预紧力值的2%，轴力试验机的示值应在测定轴力值的1%以下。
c).进行扭矩系数测试时，必须严格控制预紧力（即螺栓的紧固轴力）在规定的范围，范围表如下：按（0.5~0.8）σp0.2·As列表。
超出范围所测得的数据无效。 扭
单位：KN
矩试验用轴力范围表：
规 格
F （8.8级）
F
（10.9级）
M6 M8 M10 M12 M14 M16 M18 M20max 10 18.530 43 59 83 101 129 min 6.5 11.518.5 27 37 52 63 81 max 1.5 27.543.5 63 86 118 144 184 min 9.5 17 27 40 54 74 90 115
d).测试组装时，螺栓头下或螺母下的垫圈有倒角的一则朝向螺栓头支承面或螺母支承面。测试过程中，垫圈不得发生转动，否则试验无效。
e).测定时，同时记录环境温度，试验用的机具、仪表及工件应放置在该环境内至少2小时以上。
(2).测试规则
a).测试的工件应为同批，即相同性能等级、相同材料、相同炉号、相同螺纹规格、相同长度（长度误差符合国家标准）、相同的加工工艺、相同的热处理工艺、相同的表面处理工艺等，测得的扭矩系数仅对该批紧固件适用。
b).扭矩系数测试时样本的选取：在同批内随机抽取8套，（参照标准GB90）
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(3).矩系数平均值，扭矩系数标准偏差计算方法：
用测力扳手均匀地施加紧固扭a).将工件按装在轴力机上，
矩，在扳手上读得扭矩值，在二次仪表显示屏上读得相应的螺栓
T
预紧力（轴力）。按公式K=计算出每套联接副的扭矩系数K
F⋅d
b).计算扭矩系数平均值：K =i=1
n
式中：K——扭矩系数平均值
Ki——第i个试样的扭矩系数 n—— 试样件数 c).计算扭矩系数标准偏差σn-1： σn-1=
i=1
∑Ki
n
∑(Ki−K)
n
2
n−1
式中：σn-1——扭矩系数标准偏差 其它符号与前相
同
5) 紧固扭矩T的简易计算：
螺栓拧紧使螺栓产生轴向拉应力和扭剪应力，螺栓所承受的是拉扭合成，由式（10）和（11） 得预紧力 ：Fmin≈0.42σp0.2·As
Fmax≈0.58σp0.2·As
即可得出紧固扭矩值：
T=（0.42~0.58）K·σp0.2·As·d （19）图3可见紧固扭矩T和螺栓的伸长量只限在弹性范围内有直线关系，Y点以上就无
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图3
直线关系了。图示可见：
a).将扭矩T1作紧固扭矩时，由于扭矩系数K值的误差，预紧力也产生误差，在直线段时，螺栓的伸长量L1变化不大，所以可以得到比较稳定的预紧力。
b).若将扭矩T2作紧固扭矩时，由图看出，相对应的螺栓的伸长量L2很大（超拧）有可能达到拉断程度。 6) 影响扭矩系数的因素
采用扭矩控制法拧紧螺栓的重要因素是扭矩系数的稳定。稳定的扭矩系数，施加稳定的紧固扭矩才能使螺栓可得到稳定的预紧力，并且使拧紧工作和检查工作变得简单容易。但影响扭矩系数稳定的因素很多，有已知的还可能有许多是未知因素，所以即使是同批同样条件加工出来的螺栓其扭矩系数还是有波动的，紧固件生产厂要做的工作就是要让这波动量越小越好，以此来保证施工单位在施工中得到高质量、高水准的拧紧。
（1） 矩系数的因素主要有：
a.螺栓、螺母和垫圈的型式尺寸和公差。 b.螺栓、螺母和垫圈及被联接件的硬度和刚度。 c.螺栓与螺母在螺纹间的摩擦。 d.螺母与垫圈支承面间的摩擦。 e.温度。
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f.螺栓、螺母和垫圈的表面处理方法。 g.搬运中的碰撞。
h.螺栓、螺母和垫圈的保管及在施工时堆放的场合（灰尘，油污等）。
上述这些因素主要可划分为三类：
第一类：与型式、尺寸、加工精度、形位公差、硬度配合（即热处理工艺）有关。 第二类：与表面处理有关。
第三类：与搬运、操作施工时的人为因素有关。 第一类因素的影响：
在高强度紧固件制作中有严格的规定，同批的螺栓;螺母;垫圈必须是相同材质、相同炉号、相同加工工艺、相同热处理工艺、相同表面处理工艺等。目前我国在钢结构用大六角高强度联接副中明确规定，同批扭矩系数平均值为0.11~0.15；扭矩系数标准。 偏差值应小于或等于0.01（每批次最大批量3000套）第二类因素的影响：
如前所述，在拧紧过程中，拧紧消耗的扭矩仅占10%左右，所以如何降低摩擦阻力而有90%的扭矩消耗在克服摩擦阻力上，
即减少螺纹之间的摩擦阻力和减少支承面间的摩擦阻力成为紧固件行业的一大课题。在国外经几十年的研究，采用涂油的方法来减少摩擦阻力证明是有明显效果的，但对扭矩系数的减少不能定量，所以难以推广；采用镀锌：对镀锌的条件，电镀层厚薄的不同，也会造成扭矩系数难以定量的问题。
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即要解决减少摩擦阻力又要解决扭矩系数的稳定，建议：采用镀锌的紧固件应严格按批次分开，即在同等电镀条件下的产品为一批次，不得混淆。可使同批次螺纹联接副的扭矩系数基本得到稳定。或采用磷皂化处理，钢结构用的紧固件国内大多采用磷皂化工艺，较好地控制住扭矩系数的波动。虽然表面处理的效果会随时间的推延起变化，也会由于湿度和温度的影响带来一些问题，但总的减少摩擦阻力的效果远远超过其缺点，所以乃是行之有效的措施。 第三类因素的影响：
第三类因素的影响即为人为因素的影响，由于操作工人对高强度紧固件运输保管和操作时对扭矩系数的可能产生变化的要求不明确，甚至到无知地步。在实地考察中可以看到一些紧固件螺纹牙碰毛，碰伤的现象时有发生，施工操作时高强度螺栓、螺母乱放，使其沾有灰尘和微小颗粒状杂质，这都将大大增加扭矩系数，造成预紧力不稳定的人为因素。 其它因素的影响:
a).温度的影响
环境温度对扭矩系数稳定有很大影响，温度上升时有超拧的倾向；温度下降会产生拧不足的倾向。因此在温度变化比较大时应随时进行拧紧试验（扭矩系数的测定）和作适当调整。
b).拧紧速度影响
不论是在试验室做试验还是施工现场都应是均匀加力，不得冲击施拧，因为动摩擦系数比静摩擦系数要小，为获得同样的预
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紧力用冲击施拧所测得的扭矩值要比均匀施拧测得的扭矩值小。同样用扭矩扳手静力拧紧时和用冲击扳手连续拧紧时所测得的扭矩系数值是不同的，动力拧紧时扭矩系数值比静力拧紧时的扭矩系数略小些。
紧固扭矩的检测方法
对紧固扭矩的检测是整机或部件组装后可靠性检查的极为重耍的—道工序。检测的目的：避免螺纹联接件在紧固过程和紧固后发生超拧、漏拧和拧不足现象，确保每个螺栓紧固后能正常工作
即在拧紧过程中的控 对紧固扭矩的检测工序可分为二大类：
制法和拧紧后的捡测。可分别称为过程法、事后法。
主耍用在有安装测试扭 拧紧过程中的控制法---简称过程法：矩传感器的各种装配设备上。能直接读出数据（扭矩、转角），并可测出瞬时值。
1). 拧紧后的捡测方法---简称事后法：大致可分为四种： a）拧紧法---也称增拧法。适用于重要紧固后的栓验。 检验方法：用扭力板手平稳用力逐渐增加力矩（切忌冲击），当螺母或螺栓刚开始产生微小转动时它的瞬时扭矩值最大（因要克服静摩擦力），继续转动，扭矩值就会回落到短暂的稳定状态，这时的扭矩值即为检查所得的扭矩。
特点：操作简单，但必须熟练有经验。
b) 标记法---也称复位法、划线法、转角法
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检验方法：检验前先在被检螺栓或螺母头部与被联接体上划一道线，确认相互的原始位置。然后将螺栓或螺母松开些，再用扭矩板手将螺栓或螺母拧紧到原始位置（划线处要线对准），这时的最大扭矩值再乘以0.9~1.1所得的值即为检查所得的扭矩。
特点：技术水平不高，操作较繁锁。不适宜有防松功能的紧固件。
C）直觉法---拧紧后凭直觉判断
检验方法：对有弹性垫圈类则观察是否压平来判断；对无弹性垫圈类或有弹性垫圈但观察困难，则可采用扭力板手进行拧紧凭直觉来判断拧紧程度：若到扭矩值，板手不转动或微小转动，判为己拧紧；若转动超过半圈则判为没有拧紧、不合格。
特点：适宜于—般紧固捡查。 d）松开法---也称拧松法
检验方法：用扭矩板手慢慢地向被检螺栓或螺母施加扭矩，便其松开，读取开始转动时的瞬时扭矩值，并根据试验和经验乘以一个系数：1.1~1.2即为检验扭矩值。
注：检验条件：
检验拧紧扭矩时，使用能连续显示力矩值的指针式、数字显示式扭力扳手，其示值误差不大于±3%。
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