螺栓抗剪测试中抗剪强度与变形量的检测要点分析

螺栓是机械与建筑结构中传递剪力的核心部件，其抗剪性能直接关系结构安全。抗剪测试中，抗剪强度（抵抗剪切破坏的最大能力）与变形量（受力后的位移变化）是核心指标——前者决定承载极限，后者反映变形特性。准确把握二者的检测要点，是确保测试结果可靠、指导工程应用（如钢结构节点、机械传动系统）的关键。

测试样本的选取与制备要点

样本需遵循“同批次、同规格、同状态”原则，确保材质均匀。以GB/T 3098.1为例，应选同一炉号、同一热处理批次的螺栓，避免元素含量差异导致强度偏差（如碳含量差0.05%，强度可能差10%）。

尺寸偏差需严格控制：公称直径偏差≤±0.015mm，长度偏差≤±0.5mm，否则会影响剪切面面积计算精度（面积差1%，强度差约1%）。表面需无划痕、锈蚀——划痕会引发应力集中，使强度降5%~10%；锈蚀会减小摩擦力，导致加载滑动。

样本数量不少于5个（满足统计要求），带螺纹螺栓需去除毛刺，避免剪切面偏移（螺纹毛刺可能使剪切面转移至螺纹根部，导致强度偏高）。

对于不锈钢螺栓（如304），样本需避免与碳钢接触，否则会发生电偶腐蚀，导致表面产生点蚀，影响抗剪强度（点蚀会使剪切面面积减小，强度降8%~12%）。

测试设备的校准与选型要求

万能试验机荷载传感器需每年校准（精度0.5级），测试前零点校准，避免漂移。剪切夹具需保证“纯剪切”：双剪夹具中间隔板厚度与螺栓直径匹配（如M16对应16mm），否则会产生挤压或弯曲应力，影响强度测量。

变形量测量用高精度位移传感器（精度0.001mm，量程0~5mm），安装在剪切段中央——若装在夹具上，夹具变形会使测量值偏大（如夹具变形0.1mm，测量值增5%~10%）。

设备刚度需足够（机架刚度≥1000kN/mm），避免加载时机架变形导致荷载传递延迟，影响曲线准确性。

剪切夹具的材质需选用高强度钢（如45钢调质处理，硬度HRC40~45），避免夹具在加载时变形，影响剪切面的平行度。

加载方式的控制要点

加载速率按GB/T 228.1控制：金属螺栓应变速率0.005~0.02mm/mm·min（如M16螺栓加载速率0.1~0.4mm/min）。过快会抑制塑性变形，强度偏高10%~15%；过慢会引发蠕变，强度偏低5%~8%。

采用单调静态加载，避免循环或冲击——循环会导致疲劳，冲击会使强度远高于静态（1.5~2倍）。加载方向需与剪切面垂直（偏差≤0.5°），否则产生拉剪复合应力，强度降10%~20%。

加载模式选“位移控制”（塑性好的螺栓，如Q235）或“荷载控制”（脆性螺栓，如304不锈钢），保持荷载稳定，避免突然加载/卸载。

加载前需预加载（约为极限荷载的5%），使螺栓与夹具紧密接触，消除间隙，避免初始加载时的荷载波动。

抗剪强度的计算与判定要点

单剪强度τ=P/A（P为破坏荷载，A=πd²/4，d为公称直径），双剪τ=P/(2A)。若用实际直径计算，需用千分尺测量（精度0.01mm），避免面积误差。

破坏荷载读取：有屈服平台的取平台起始点（屈服荷载）和最大值（极限荷载）；无平台的用“0.2%残余变形法”（变形量0.2%时的荷载）。非剪切破坏（拉断、挤压、头部断裂）的样本无效——如螺纹拉断是夹具定位不准，需重测。

判定需对比标准值：8.8级螺栓标准值400MPa，平均值低于90%（360MPa）说明质量差，高于120%（480MPa）可能脆性大（易突然破坏）。

表面处理影响：热镀锌螺栓锌层（厚度50μm）强度低（100MPa），会使整体强度降3%~5%，需考虑或去除锌层后测试。

变形量的测量与分析要点

变形量需实时测量，首选引伸计（精度0.001mm）——万能试验机的横梁位移包含夹具/机架变形，会使测量值偏大（如横梁位移1mm，实际螺栓变形0.8mm）。

引伸计安装在剪切段中央（如M16螺栓剪切段20mm，标距15mm），避免靠近剪切面（应力集中导致局部变形过大）。标距过短会使测量值偏大，过长则偏小。

分析荷载-变形曲线：弹性阶段变形小（Q235钢约0.1mm），塑性阶段变形快速增加（屈服变形约0.3mm），极限变形约1.5mm。无塑性阶段（弹性后直接断裂）说明螺栓脆性过大，不符合工程要求。

允许变形量按场景定：钢结构节点需保证刚度，允许变形≤螺栓直径1%（M16≤0.16mm）；机械传动系统允许一定振动，变形≤0.5mm。

环境因素的影响与控制要点

温度：碳素钢螺栓超100℃，抗剪强度每升高50℃降5%~10%（300℃时仅为室温的70%）；变形量随温度升高而增大（高温降低弹性模量）。

湿度：相对湿度超80%，碳钢螺栓表面生锈（Fe₂O₃），会引发应力集中，使强度降10%~15%。测试前需将螺栓存放在干燥环境（相对湿度≤60%），避免锈蚀。

振动：附近有重型机械运行时，振动会使荷载传感器读数波动5%~10%，需用橡胶隔振垫减少影响。灰尘会增大夹具摩擦力，测试前需清理夹具表面。

数据的有效性验证要点

平行样本（≥5个）的抗剪强度平均值标准差需≤5%，变形量标准差≤10%。若某样本结果与平均值偏差超10%，需检查原因：样本有裂纹、尺寸偏差大，或测试时加载偏斜、传感器故障。

无法找到原因时，需增加样本数量（如从5个到8个），重新计算平均值与标准差，直到符合要求。不得随意剔除异常数据，否则会导致结果偏倚。

测试结果需与历史数据对比：若同一批次螺栓强度与之前偏差超10%，需查原材料炉号、热处理工艺（如淬火温度从860℃升到900℃，强度增15%~20%）。

数据记录需完整：包括样本编号、测试日期、设备编号、环境温度/湿度、荷载-变形曲线、破坏形态照片，方便后续追溯与分析。

破坏形态的观察与记录要点

正常剪切破坏：螺栓在剪切面处塑性变形，断口呈暗灰色、纤维状（韧性断裂），有明显剪切唇（占断口面积10%~20%）——说明塑性良好，符合要求。

异常破坏形态：脆性断裂（断口银灰色、结晶状，无剪切唇）、拉断（断口在光杆/螺纹部分，杯锥状）、挤压破坏（剪切面扁平）、头部断裂（头部与光杆连接处断）。

异常原因分析：脆性断裂是碳含量过高（＞0.45%）、热处理不当（淬火温度高）或加载速率快；拉断是夹具定位不准（轴向拉力）；挤压破坏是夹具硬度低（如铝合金夹具）；头部断裂是圆角半径小（应力集中）。

需用放大镜（5~10倍）观察破坏形态，拍照记录，并在测试报告中说明原因——如多个样本脆性断裂，需调整热处理工艺（降低淬火温度、增加回火时间）。