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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date紧固件常用术语緊固件机械性能常用術語紧固件机械性能常用术语抗拉强度( Tensile Strength ) 抗拉强度是指材料在外力拉伸下抵抗破断的能力. 你是否有过将橡胶条拉断的经验呢? 如果有, 那么你就是在测试橡胶条的抗拉强度. 紧固件的抗拉强度也是一样的, 它是紧固件能够承受的施加在其上而不会使其破断的抗拉值.抗拉强度是紧固件最普通的一种物理性质. 它是紧固件的
2、极限强度( Ultimate Strength ). 也是紧固件在应用时考虑的其承载载荷能力( Load Bearing Ability )的基本指标.抗拉强度用N/mm2表示. 它是指平均分配在紧固件最小径截面积上( Cross-Sectional of minor Diameter )可施予紧固件承受的力量.意即 :抗拉强度 = 力/面积 = N/mm2 抗拉强度是紧固件抵抗轴向拉力( Axial Tensile )的能力. 它表明了紧固件承受轴向拉伸负荷的能力. 抗拉强度通常是指极限抗拉强度( Ultimate Tensile Strength, UTS ). 因为紧固件的屈服强度( Y
3、ield Strength )和保证载荷( Proof Load )与它的抗拉强度有关, 所以我们会在后面加以讨论.屈服强度( Yield Strength )理论上, 每一个轴向拉力都将使紧固件产生不同程度的伸长. 因为既有的金属均有其弹性模数( Degree of Elasticity, 或称为杨氏模数Youngs Moulde )存在, 通常将负荷去除, 紧固件就会恢复到原来的长度. 当紧固件无法恢复其原长时的负荷值即为其屈服点( Yield Point ). 屈服点是紧固件承受轴向负荷时开始产生塑性变形的那一点.在紧固件行业, 我们真的希望它能在其弹性极限范围内使用, 以确保联接的安全
4、性, 而不希望将它拉伸到屈服点来使用. 因为这会降低紧固件的有效性. 当紧固件被拉伸到其屈服点后便无法收缩回到原的长度. 这种收缩提供了紧固件连接时的有效锁紧力. 我们可以清楚看到紧固件是如何锁紧及如何发挥功效的. 假想一个紧固件就如一个一圈圈缠紧的弹簧. 想象一个用弹簧拉紧的门, 当弹簧没有超过其屈服点时, 它可以有效地将门闭紧. 但当弹簧被过度拉伸而无法恢复到原来的长度时, 弹簧将会失效而无法将门闭紧. 但当弹簧被过度拉伸时, 便会到达其屈服点, 此时弹簧将会失效而无法将门拉紧. 弹簧便失去了其原有的拉力. 紧固件也是如此, 一但被过度拉伸, 便会失去原有的拉力.一般而言, 降服强度等于于
5、极限抗拉强度的25%. 紧固件的屈服点是指它承受轴向负荷产生永久伸长的那一点.译注 : 屈服强度与抗拉强度的关系并非一成不变的25%, 一般而言, 同一种材料的抗拉强度越高( 不管是加工硬化或是热处理造成 ), 屈服强度与抗拉强度的比值会升高, 延展性则降低,至于8.8级螺栓冷锻后作调质热处理, 屈服强度与抗拉强度大约为20-25%, 10.9级及12.9级螺栓冷锻后作调质热处理, 屈服强度与抗拉强度大约为10-20%.保证载荷( Proof Load )保证载荷是紧固件不产生永久伸长的所能承受的最大轴向拉力, 我们再以弹簧为例, 假设紧固件为一根弹簧, 我们可以想象将弹簧拉到不使它产生永久伸
6、长的最大长度, 就是说到去除负荷后紧固件可以恢复到它原来的长度.这就表明了紧固件的屈服点和保证载荷的关系十分密切. 理论上讲, 就像在一个范围内有两个相邻的点, 一个比另一个小一点点, 那么这个比较小的值就是保证载荷, 另一个比较大的就是屈服点. 因为两点相距太近, 在实际应用上我们将它们视为等同. 碳钢类紧固件的保证载荷是其最大抗拉强度的75%. 例如, 碳钢类紧固件的抗拉强度是100,000PSI, 那么它的保证载荷即为其屈服点, 是75,000PSI.保证载荷的知识和意义对于业务人员很重要, 因为有时他会被要求提供紧固件在实际应用时可承受的拉力和载荷. 记住一般的原则是 : 施加保证载荷
7、的75%的力, 可以获得最佳功效. 这是紧固件在使用时关于其拉力的通用原则. 比如我们刚才提到的紧固件, 其抗拉强度是100, 000PSI, 因为保证载荷为抗拉强度的75%, 故其保证载荷为75, 000PSI, 若客户问你”这支螺栓可以承受多大的拉力使用”时, 你应该回答”保证载荷的75%或(25, 000*75%)56, 250PSI. 保证载荷是紧固件不产生塑性变形所能承受的最大的力. 记住下列三个重要的原则 : 1. 碳钢的保证载荷是其抗拉强度的75%.2. 将紧固件锁紧到其保证载荷的75%将发挥其最大功效.3. 一般须将紧固件锁紧至其抗拉载荷的50%-60%, 以保证其功效.译注
8、: 保证载荷依规定依照公称尺寸及产品级数为一个固定值, 紧固件在承受载荷到此一规定值时不可产生任何可能造成组装失败的变形. 同样的, 保证载荷与抗拉强度的关系并非一成不变的25%, 与上一段的批注相同.扭矩与伸长( Torque-Tension)扭矩与伸长的关系 : 扭矩与伸长的关系是指当施加扭矩于紧固件时会产生伸长及抵抗力. 扭矩与抗力的关系在应用上非常重要, 如前所述, 业务人员通常会建议客户以保证载荷的75%的拉力锁紧紧固件. 客户接下来就会问”要达到这一拉力需要多大的扭矩? ”, 在回答问题之前你必须清楚为什么一些客户提出的这个问题是合理的. 在使用紧固件时我们首先考虑的是施加适当的拉
9、力. 既然如此, 客户为什么还会问到扭矩呢? 因为紧固件在使用时是施加扭矩将其锁紧的, 因此测定扭矩比测定其实际的拉力值要方便.现在你知道为什么这是一个很有意义的问题了吧? 你可以考虑答案了, 首先扭矩和抗力有不同的关系. 下面是会影响其相互关系的一些状况 :1. 紧固件的表面状况(本色或电镀)2. 螺纹配合的表面状况3. 承面状况4. 螺纹等级5. 螺纹类型6. 紧固件的强度7. 与之配合的材料强度8. 润滑状况所有上述这些差异都将影响在实际使用过程中扭矩与抗力的关系.业务人员应注意千万不能为客户推测扭矩与抗力的关系. ( 扭矩 拉伸计, 扭矩与摩擦力测试及扭矩与夹紧负荷测试 ). 显然,
10、业务人员很难解决这样一个复杂的问题. 业务人员的职责是了解紧固件的实际使用状况, 并反馈回来以便我们能够最好地解决客户的问题. 如果遇到有关扭矩的问题, 你应该了解 :1. 紧固件如何使用.2. 紧固件用什么材料制成.3. 你将使用何种类型的紧固件.4. 你需要多大的拉力(夹紧力).5. 使用什么样的表面被覆.6. 你计划使用何种润滑.7. 其它你认为比较重要的使用状况. 可能的话, 尽量取得所使用的紧固件装配的样品. 对扭矩拉力的一般性的了解是很重要的. 扭矩拉力是指施加扭矩于紧固件上时会产生拉力. 扭矩拉力的另一个相关的概念是夹紧力. 这将在后面加以讨论.锁紧力( Clamp Force
11、)锁紧力是紧固件锁紧物体时作用于被锁紧面( 即承面 )的力.在应用中, 作用于被锁紧面的力的大小完全与紧固件所受拉力相等; 事实上, 配件中扭矩锁紧力的关系与紧固件的扭矩应力关系比率完全相同.扭力在大多数应用中非常重要, 是因为紧固件中适当的拉力能确保正确装配; 记住 : 制定扭矩 - 应力关系图并非销售人员的职责. 但绝不是说销售人员可以逃避这些问题, 而是应该由销售人员收集必要信息交给相关部门, 以便提供最好可能答案.剪切强度( Shear Strength )剪切强度是当紧固件在垂直于轴向负荷而产生的阻止变形的能力.您也许曾在击高尔夫球时将球头折断或至少看到别人这样过. 您也许注意到球杆
12、碰击球时, 当球飞出的同时球头也落地情况, 大家说 : 球头被球杆剪落. 事实上, 您无意中做了球头剪切强度测试, 您可以看到球头是否可承受球杆作用于垂直于其轴线方向的力. 高尔夫球头制造时因此要使剪切强度小到不能影响击球.当紧固件应用于受垂直于轴向载荷时, 务必考虑其剪切强度. 不同于高尔夫球头的是紧固件必须要能承受这些载荷以完成工作.剪切强度通常估计为抗拉强度2/3大小, 因此如紧固件抗拉强度为180,000 PSI, 剪切强度则为120,000 PSI; 换句话说, 紧固件应能承受120,000 PSI的垂直于其轴向的载荷.通常剪切力发生在 : 紧固件垂直钉在两块重迭的平行材料上, 同时
13、两块材料所受力方向相反时.只有当紧固件剪切强度大于这个力时紧固件不会失效.疲劳强度( Fatigue Strength )疲劳强度是紧固件在循环震动应力( Cyclic Variations in Stress )作用下抵抗疲劳失效的能力. 换言之, 它是紧固件承受在因某种原因下产生的变负载的能力.一般来说, 疲劳强度大大低于它的最大抗拉强度.疲劳有若干种类, 但震动是最普遍的类型.典型的”震动”疲劳的例子是所有应用于柴油机上的”Head-bolt”, 当活塞沿活塞缸下冲时, Head-bolt不受力; 但当活塞再次上升时活塞缸内压力渐渐增加直至再次下冲时变为零. 整个过程载荷的变化及周期与电
14、机的速度相关.为克服并确保震动变应力的疲劳失效, 紧固件应能承受大于可能碰到的循环中的最大应力.疲劳失效是受剪或拉的紧固件需要考虑的一个因素.延展性( Ductility )延展性是材料在不开裂情况下永久变形的能力.延展性在紧固件行业中多个不同的地方均有提及, 但其概念相同的. 首先, 延展性是对将要用于紧固件成型的材质而言, 材质延展性越好, 它在不开裂情况下变形能力越好. 我们用黏土来做例子说明延展性, 尽管它并非紧固件材料.您可用一个球形黏土捏成扁平形状, 并且其表面绝对不会有开裂或断裂; 这即为延展性, 相反, 用石头做同样的试验, 即使是极轻微的变形也会导致开裂及脆断. 以上两个极端
15、情况的例子, 而材料有相同性质. 一些材料, 比如铝是一种延展性很好可以变形很大而不裂开的材料, 而另一些材料, 如硬度大的钢, 稍微变形即会开裂; 材质延展性是产品成型工艺的决定因素.用来成型螺纹的材料延展性也需要考虑, 因螺纹成型是紧固件四周的材料变形而成, 而非切削掉多余材料; 再来, 如果在黏土与石头的材料辗制螺纹; 首先, 在两种材料上各打一个相同大小孔, 然后插入螺丝旋入, 可以看到, 黏土四周材料会移动或变形但并未有切削作用; 但是当您用同样一只螺丝插入石块中, 石块材料会开裂. 这便是材料的脆性. 当然, 绝不会有人用螺丝旋入黏土或石头中, 但用来制造螺丝的材料应有相似的延展性
16、. 即材料能够变形而不致开裂或断裂才可以.紧固件延展性要求最后与其应用场合有关. 有些场合紧固件会受到冲击或大力锤击. 一般来说, 这些紧固件应在断裂前变形, 这很重要. 如果紧固件容易碎裂, 则受冲击会开裂; 如延展性好, 则只会变形, 不会断裂.再想一想黏土与石头. 如果您有两个大小形状相似的圆柱, 一个为黏土, 另一个为石头; 施以同样垂直于其轴线的冲击, 则黏土会弯曲, 石头则会开裂. 紧固件材质有相似状况. 它们的延展性程度大小不同.只有定下紧固件应用的所有要求, 友汇及顾客才能一起开发出最适合每一种特殊场合的紧固件.延展性是材料永久变形而不裂开的能力.紧固件应考虑延展性三要素 :1
17、. 紧固件本身材质延展性.2. 成型处材质延展性.3. 特殊场合紧固件延展性要求. 硬度( Hardness )硬度是材料抵抗摩擦, 凹陷, 弯曲的一种指标.紧固件硬度最重要的意义是抵抗组装时的摩擦及/或在机械应用场合中的作用. 对螺纹成型及螺纹切削自攻螺丝而言, 由于它使用来自配合孔中挤出或攻钻出配合的内螺纹, 因此很显然的, 它的硬度必须比配合的组装件硬度要高. 如果不是这样的话, 那在组装时自攻螺纹会变形或损坏, 而导致旋不进去. 两种不同硬度的材料可以很清楚的被分出来, 比如说黏土和钢, 如果您想将钢制的螺纹成型自攻螺丝旋入黏土中, 因为黏土软且易于变形, 当然很轻易的就旋进去了. 接
18、下来, 如果您想把黏土做的螺纹成型自攻螺丝旋入钢中, xxx咧怎么会弄不进去. 因此, 螺纹成型自攻螺丝必须比配合的工件硬.在某些作业场合下紧固件也会使用到承受面. 尤其是一些具有肩部的螺丝, 硬度仅在于几个重要的承受部位起作用但却非常重要. 这些承受面必须有足够的硬度来承担组装时快速增加且会累积的多余的摩擦以保证组装后的功能并减少维护量. 在一次我们拿黏土和钢作例子, 因为钢比黏土硬, 所以作为移动用的紧固件钢会比黏土使用的好且久.另一个重要性则是材料的硬度直接与材料的抗拉强度, 剪断强度及延展性相关. 当硬度增加时 : 1. 抗拉强度增加.2. 剪断强度增加.3. 延展性减少.业务人员应该
19、了解客户在每一种强度等级及延展性要求应用场合下, 如何去决定相关联的硬度值. 仔细询问这些问题并转给技术部门以便友汇可以建议客户使用何种紧固件.硬化紧固件有两种基本方法 :1. 冷加工或加工硬化.2. 热处理.当紧固件在室温之下变形我们称之曰冷间加工. 冷间加工在变形的材料上施加应力使之变形并会残留应力使材料变硬. 这种现象在冷打头( Cold Heading )及挤制( Extrusion )均会发生.材料在经过数种不同的热处理后其硬度也会增加. 这些方法在热处理一章中将专题处理.紧固件的硬化依其使用场合之不同可以分为三种不同的方式 :1. 全硬化( Through Hardened ).2
20、. 表面硬化( Case Hardened ).3. 选择性硬化( Selectively Hardened ).这三种名称是根据硬度在材料上状况的不同来命名, 全硬化紧固件全部的部位都多经过硬化. 其心部与表面均予以硬化. 表面硬化紧固件在材料表面很浅的部位进行硬化处理. 在紧固件上, 表面将会比心部要坚硬很多. 选择性硬化则是仅在紧固件选择某些部位进行硬化处理, 通常是在尾部. 经选择性硬化处理过的部位也比其它未经硬化的部位要坚硬很多.紧固件经过全硬化处理后可增加其强度级数, 紧固件如螺栓经全硬化处理后可以使螺栓抵抗更大的拉力而不致破断.紧固件经过表面硬化处理后主要可以增加其在组装时之耐磨
21、性, 大多数的螺纹成型及螺纹切削自攻螺丝系使用表面硬化处理, 这是因为这些自攻螺丝必须在所配合的工件上攻出配合内螺纹. 如果这些螺丝使用全硬化到表面硬化的水平时, 紧固件会断裂, 因此在大多数场合下并不实用.当紧固件实施全硬化或表面硬化具有危险性时, 可以使用选择性硬化处理, 选择性硬化处理主要是用在螺纹成型自攻螺丝, 某些螺纹成型自攻螺丝因为其特殊使用场合而希望可以保存全硬化的强度等级及延展性, 而又必须有足够的尾部及螺纹硬度来成型配合内螺纹, 因此使用选择性硬化处理. 处理时先将紧固件全硬化到希望强度等级, 再对尾部及紧固件末端曰4-5个螺纹进行表面硬化处理以维持自攻功能.选择性硬化处理成本远高于全硬化处理或表面硬化处理. 但如果使用场合必须要如此处理时, 它还是非常具有价值.至于热处理的实施方法可以参照本手册热处理章.硬度是材料抵抗摩擦, 凹陷, 弯曲的一种指标.硬度影响紧固件组装时的摩擦.硬度测试应该在一种可以以特定载荷压入材料并测量其深度的机械上实施. 最常用的洛式硬度计和勃氏硬度计( 或维克式硬度计 )且具有多种尺度用以度量不同状况下的硬度值.硬度与强度和延展性质相关, 且透过加工硬化或热处理硬化获得.-