紧固件抗剪切强度测试的加载方式与设备选型要点

紧固件是机械、建筑、航空等领域连接结构的“筋骨”，其抗剪切强度直接决定连接部位可靠性——当紧固件受横向载荷时，剪切失效是最常见破坏形式。准确评估这一性能，核心在于选择合理加载方式（模拟实际工况力传递路径）与适配测试设备（保证载荷施加准确性）。本文聚焦这两个关键环节，拆解加载方式特点与适用场景，梳理设备选型核心要点，为测试方案设计提供实用参考。

紧固件抗剪切强度测试的基础逻辑

抗剪切强度测试本质是模拟紧固件受“横向剪切力”的状态——平行于横截面的力超过材料剪切极限时，紧固件沿横截面断裂。比如螺栓连接钢结构梁，梁受横向载荷时，螺栓会受到上下板相对剪切力，测试就是还原这种“被两个面反向拽”的受力。

测试核心要求是“纯剪切”：需避免弯曲、拉伸等附加应力干扰。弯曲会使横截面应力分布不均（边缘应力大、中心小），导致结果低于实际；拉伸会叠加拉应力，使破坏形式变成“拉剪复合”，无法准确反映剪切性能。

因此，加载方式设计要围绕“消除附加应力”展开，设备需保证载荷方向、大小、分布符合预期——这是测试结果有效的前提。

单剪加载：简单工况下的经典方式

单剪加载是“两板一钉”结构：紧固件穿过两个叠合钢板，一块板固定，另一块施加平行于轴线的横向力，形成一个剪切面（两板接触面）。比如家电外壳自攻螺丝连接薄钢板，实际受力就是单剪状态。

适用场景集中在“薄板、低强度紧固件”：薄板厚度小，两板间隙小，紧固件弯曲变形小，附加应力可忽略。比如家具木螺丝连接木板，单剪测试能准确反映剪切性能。

操作关键是“保证加载方向垂直”：若力有倾斜，会使紧固件弯曲，结果偏差。通常用“导向套”解决——限制径向位移，确保力完全平行于横截面。比如测试M6自攻螺丝时，导向套内径比螺丝大0.1mm，既允许轴向位移，又限制径向偏移。

单剪优点是设备简单、操作便捷，但缺点明显：紧固件过长或板过厚时，弯曲应力增大，准确性下降。因此更适合“小规格、低强度”紧固件。

双剪加载：接近实际工况的精准方式

双剪加载是“三板一钉”结构：三个板叠合，紧固件穿过中间板与两侧板，中间板施加拉力，两侧板固定，形成两个剪切面（中间板与两侧板接触面）。比如钢结构高强度螺栓连接厚钢板，实际受力是两个剪切面同时承力，双剪测试更贴合真实状态。

适用场景是“厚板、高强度紧固件”：三板结构能减少弯曲变形——中间板拉力通过两个剪切面传递到两侧板，紧固件轴线保持直线，附加弯曲应力几乎消除。比如桥梁支座M20高强度螺栓（10.9级），双剪是常用测试方式。

操作要点是“保证板平行度”：若三板不平行，两个剪切面载荷会不均（比如一侧承60%力、另一侧40%），导致一侧先断裂，结果无法反映真实强度。解决方法是用“定位销”固定板位，确保间隙不超0.1mm，载荷均匀分布。

双剪优点是结果接近实际工况、准确性高，是高强度紧固件测试“金标准”。比如GB/T 3098.18（紧固件剪切强度试验方法）明确规定，高强度螺栓优先采用双剪方式。

复合剪加载：复杂工况的模拟手段

复合剪加载是“剪切+其他应力”组合，比如剪切加拉伸、剪切加扭转。针对“复杂工况紧固件”——比如航空航天螺栓，飞机机翼连接螺栓飞行中不仅受横向剪切力，还受机身拉伸力（机翼抬起时）或发动机扭转力（螺旋桨转动时）。

适用场景集中在“高端装备领域”：航空、航天、赛车等，这些领域紧固件需承受多向载荷，纯剪切测试无法反映实际破坏形式。比如飞机起落架螺栓着陆时受剪切力（地面冲击）和拉伸力（起落架拉力），复合剪能模拟“拉剪复合”工况。

操作要点是“多轴载荷精确控制”：需多轴加载系统（如电液伺服试验机），能同时施加剪切力与拉伸力，并实时监测比例。比如测试航空螺栓时，要求剪切力与拉伸力比值3:1，系统需通过传感器反馈调整载荷，保证误差不超±2%。

复合剪优点是模拟真实复杂工况，为高端产品设计提供可靠数据，但设备成本高、操作复杂，仅专业实验室或高端企业采用。

负载能力：匹配紧固件强度与工况

设备负载能力指最大施加力，选择时需“匹配预期剪切强度”。计算方式：剪切力=剪切面积×剪切强度（材料许用或极限值）。比如M12的10.9级螺栓，剪切面积π×(12/2)²=113.1mm²，极限剪切强度约800MPa，剪切力约90kN，设备最大负载需选100kN以上——留10%余量避免过载。

需区分“静态”与“动态”负载：静态测试是缓慢加力至断裂（如建筑螺栓），动态测试是循环加力（如汽车底盘螺栓疲劳测试）。动态测试需设备有“循环加载能力”（如电液伺服试验机），能模拟10万次以上循环，静态试验机（如液压万能机）无法满足。

还要考虑“过载保护”：设备需自动停机，当载荷超设定值（如110%最大负载）时停止加载，避免设备损坏或碎片飞溅。比如测试M20高强度螺栓，断裂力可能达500kN以上，过载保护能有效防安全事故。

精度控制：保障数据可靠性的核心

精度包括“力值”与“位移”精度，直接影响结果准确性。力值精度指显示力与实际力的偏差，如±0.5%FS（满量程0.5%），90kN负载偏差不超450N，保证剪切强度计算误差可控。

位移精度指施加位移与实际位移的偏差，如±0.01mm。双剪测试中，位移精度至关重要——若中间板位移偏差大，两个剪切面载荷不均，导致一侧先断，结果失准。比如中间板位移需控在0.1mm内，±0.01mm精度的设备才能满足。

传感器选择影响精度：应变式传感器精度高于液压式（应变式±0.1%FS，液压式±0.5%FS），适合高精度测试；压电式传感器响应快，适合动态测试（如循环加载）。比如航空复合剪测试，用应变式测剪切力、压电式测拉伸力。

夹具设计：贴合加载方式的关键

夹具是设备与试样的“桥梁”，需“匹配加载方式”：单剪夹具需固定座与活动座，固定一块板、活动座带动另一块板加力；双剪夹具需三个夹板，中间板连拉力装置、两侧板固定，保证载荷均匀；复合剪夹具需多轴连接装置，能同时加剪切力与其他力。

夹具材料需“比紧固件硬”：比如测试高强度螺栓（HRC35-40），夹具要用合金钢（HRC50以上），避免变形影响载荷传递。若用普通钢（HRC20-25），测试时夹具会被挤压变形，导致载荷不均、结果偏差。

夹具“可调节性”重要：需适应不同规格紧固件（如M6到M20），通过调整夹板间距、导向套内径匹配试样。比如双剪夹具夹板间距可通过螺栓调至10-50mm，覆盖不同厚度钢板。

此外，夹具“重复性”要高：同一规格试样用同一夹具测试，结果偏差需小于±1%。比如测试10个M12螺栓，剪切强度最大值与最小值差要小于8MPa（800MPa的1%），保证数据一致性。

系统兼容性：满足多标准与数据需求

设备需“兼容不同测试标准”：不同行业有不同标准（如GB/T 3098.18、ISO 14589、ASTM F606），对加载方式、夹具尺寸、步骤有要求，设备夹具与控制系统需能调整满足。比如GB/T 3098.18要求双剪夹板厚度是螺栓直径1.5倍，设备需能更换不同厚度夹板。

需“连接数据采集系统”：测试中要实时记录力-位移曲线，分析剪切屈服点（塑性变形开始的力）、极限剪切强度（最大力）、断裂位移（断裂时位移）等参数。比如用软件导出曲线为Excel文件，方便后续分析与报告。

设备“可扩展性”也重要：现在需单剪、双剪测试，未来可能需复合剪，设备要能通过加模块（如多轴加载模块）扩展功能，避免重复投资。比如电液伺服试验机加扭转模块，可实现剪切加扭转测试。

安全防护：避免风险的必要措施

剪切测试中，紧固件断裂会产生“高速碎片”——比如高强度螺栓断裂时，碎片速度可达10m/s以上，易伤人。设备需有“防护装置”：透明有机玻璃罩（挡碎片且不影响观察）或金属防护栏（强度更高，适合大负载）。

“过载保护”是安全要点：设备实时监测载荷，超设定值（如110%最大负载）时自动停机卸载。比如液压万能机通过压力传感器实现，液压超限时电磁阀关闭、停止供油。

“试样固定”需牢固：夹具要固定试样，避免测试中脱落。比如单剪夹具固定座用螺栓拧紧，活动座用液压/电动装置锁定，确保试样不松动。

最后，“操作培训”不可少：操作人员需熟悉设备使用与安全规程，比如测试前检查防护装置是否关闭，加载时远离设备。企业需定期培训，考核合格后方可操作。