金属检测

钢结构螺栓是钢结构连接的核心受力部件，其屈服强度直接决定结构的抗滑移、抗疲劳性能。在屈服强度测试中，预紧力与屈服点的对应关系是评估螺栓性能的“核心纽带”——它不仅影响测试结果的真实性，更决定了螺栓在实际工程中的预紧力设计上限。本文将从基本概念、力学关联、测试影响因素等维度，系统解析二者的对应关系及实践应用要点，为螺栓性能评估提供技术参考。

预紧力与屈服点的基本定义

预紧力是螺栓在拧紧过程中，螺栓杆部因弹性变形产生的轴向拉力。它的核心作用是使被连接件紧密贴合，形成“弹性约束”，防止受载后出现相对滑移或间隙。例如，钢结构中的高强度螺栓通过预紧力使钢板紧密接触，依靠摩擦力传递剪力。

屈服点则是螺栓材料的固有力学属性，指材料在单向拉伸过程中，当应力达到某一临界值时，即使应力不再增加，应变仍持续增大的起始点（对于无明显屈服点的材料，通常用规定非比例延伸强度σp0.2替代）。它反映了材料从弹性变形向塑性变形过渡的临界点，是螺栓“弹性承载能力”的上限。

二者的本质区别在于：预紧力是螺栓的“工作状态参数”，由拧紧工艺决定；屈服点是材料的“固有属性”，由材料成分、热处理工艺决定。但二者又紧密关联——预紧力的设计必须以屈服点为上限，否则螺栓会因塑性变形失去预紧功能。

预紧力对屈服点测试的影响机制

在屈服强度测试中，预紧力的大小直接影响螺栓杆部的应力分布均匀性。若预紧力不足，螺栓与测试夹具（如拉伸试验机的夹头）之间会存在微小间隙，加载时应力会集中在螺栓头部与杆部的过渡圆角处或螺纹牙根部，导致“假屈服”现象——此时的应变是由间隙消除引起，而非材料本身的塑性变形，测得的“屈服点”会远低于实际值。

若预紧力过大（超过螺栓的弹性极限），螺栓在测试前已发生塑性变形——此时螺栓杆部的应力已接近或超过屈服点，测试时的应力-应变曲线会直接进入塑性阶段，导致测得的“屈服点”偏高，无法反映材料的真实性能。例如，某8.8级螺栓（σs≥640MPa）若预紧力超过60kN（对应应力约600MPa），则测试前已接近弹性极限，测试结果会比实际值高10%~15%。

此外，预紧力的施加方式也会影响测试结果：采用扭矩法拧紧时，预紧力的离散性较大（±15%），易导致屈服点测试结果波动；而采用扭矩-转角法或扭剪型螺栓的“剪断梅花头”法，预紧力的离散性可控制在±5%以内，测试结果更稳定。

屈服点对预紧力设计的反向约束

屈服点是预紧力设计的“刚性上限”——根据《钢结构设计标准》（GB 50017-2017），螺栓的预紧力P应满足：P≤0.6~0.8σs·Ae（Ae为螺栓的有效截面积）。这一规定的核心逻辑是：预紧力必须保持在螺栓的弹性变形范围内，否则螺栓会因塑性变形无法维持稳定预紧力。

例如，某10.9级M20螺栓（σs≥900MPa，Ae=245mm²），其屈服点对应的拉力为900×245=220500N（约221kN）。根据标准，预紧力应控制在133kN~177kN之间（0.6~0.8倍屈服拉力）。若预紧力超过177kN，螺栓会进入塑性变形阶段，拧紧后预紧力会逐渐松弛；若低于133kN，则无法保证被连接件的紧密贴合。

需要注意的是，对于承受冲击或交变载荷的螺栓，预紧力设计上限应适当降低（如取0.5~0.6倍屈服拉力），以避免螺栓因疲劳失效——例如，风电塔筒的连接螺栓，预紧力通常取屈服拉力的55%~65%。

测试中预紧力与屈服点的校准方法

为确保二者对应关系的准确性，测试中需通过“应力-应变同步监测”校准：

1、应变片法：在螺栓杆部粘贴轴向应变片，实时监测弹性应变。当应变读数突然增大（应力不变但应变持续增加）时，对应的预紧力即为屈服点拉力。这种方法准确性高（误差≤2%），但需对螺栓表面打磨、粘贴应变片，适用于高精度测试。

2、载荷-位移曲线法：通过拉伸试验机记录载荷（预紧力）与位移（螺栓伸长量）曲线。当曲线出现“拐点”（载荷增量不变，位移增量显著增大）时，对应的载荷即为屈服点拉力。该方法操作简单，适用于批量测试，但需排除夹具间隙、螺栓弯曲等干扰。

3、扭矩-转角法：先拧至“贴合扭矩”（消除间隙），再记录拧紧角度与预紧力的关系。当角度增加而预紧力不再线性增加时，对应的预紧力即为屈服点拉力。这种方法常用于现场测试（如钢结构安装），但需预先建立扭矩-预紧力曲线。

环境与工艺因素的干扰及控制

环境温度会降低屈服点——例如，Q355钢在100℃时屈服点约下降10%，200℃时下降20%。若测试温度高于20℃，螺栓屈服点降低，即使预紧力不变，实际应力也可能超屈服点，导致测试结果偏高。控制方法是在标准温度（20±5℃）下测试，或对测试结果进行温度修正。

螺纹润滑会增大预紧力——润滑良好的螺纹（如涂润滑脂）可减少摩擦力，相同扭矩下预紧力增加15%~20%。例如，未润滑的M20螺栓（10.9级），400N·m扭矩对应预紧力约80kN；涂润滑脂后增至95kN，可能超过屈服点拉力（约90kN）。控制方法是测试前统一螺纹润滑状态（如未润滑或涂指定润滑脂）。

热处理不均匀会导致屈服点波动——淬火不足的螺栓，杆部屈服点可能比头部低10%~15%，测试时杆部先屈服，结果偏低。控制方法是选择热处理均匀的螺栓（如通过硬度测试验证），或对螺栓进行“均匀化处理”（如回火至稳定硬度）。

不同螺栓类型的对应关系差异

高强度螺栓（8.8、10.9、12.9级）与普通螺栓（4.8、5.6级）的对应关系差异显著：

1、高强度螺栓：屈服点高（10.9级σs≥900MPa），预紧力上限高（0.7~0.8倍屈服拉力）。例如，M20的12.9级螺栓（σs≥1080MPa），屈服拉力为1080×245=264600N（约265kN），预紧力可至186~212kN。

2、普通螺栓：屈服点低（4.8级σs≥320MPa），预紧力上限低（0.5~0.6倍屈服拉力）。例如，M20的4.8级螺栓，屈服拉力为320×245=78400N（约78kN），预紧力应控制在39~47kN。

扭剪型高强度螺栓（GB/T 3632）是特殊类型——通过剪断尾部梅花头控制预紧力，其预紧力与屈服点的对应关系由工艺保证（梅花头剪断扭矩与屈服点严格匹配）。例如，M20的10.9级扭剪螺栓，剪断时预紧力约170kN，正好是屈服拉力的77%（170/221≈0.77），符合标准要求。

实践中的常见误区及规避

误区一：混淆“预紧力”与“工作载荷”。工作载荷是螺栓受载后的总拉力（预紧力+工作载荷），若误将工作载荷作为预紧力，会导致屈服点测试结果偏低——例如，预紧力60kN、工作载荷20kN，总拉力80kN，若误测80kN，结果会低25%。规避方法是明确测试对象为“无外载的预紧力”。

误区二：忽略预紧力松弛。螺栓长期使用中，因材料蠕变或被连接件压缩，预紧力会下降10%~15%。若测试时未考虑，初始预紧力在屈服点以下，但后期可能因预紧力不足失效。规避策略是测试前对螺栓进行“时效处理”（150℃保温2小时），消除内应力。

误区三：过度依赖经验扭矩。许多现场用“经验扭矩”（如M20螺栓用400N·m），但未考虑材质、润滑等因素，导致预紧力波动±20%以上。规避方法是通过“扭矩-预紧力试验”建立扭矩系数（k值），再用公式T=k·P·d计算准确扭矩（T为扭矩，P为预紧力，d为螺栓直径）。