汽车零部件紧固件测试中常见的强度测试方法及流程解析

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汽车零部件紧固件（如螺栓、螺母、销钉等）是整车结构连接的“筋骨”，广泛应用于发动机、底盘、车身等关键部位。其强度性能直接决定连接可靠性——若强度不足，易在长期振动、载荷下发生松动、断裂，引发零部件脱落、功能失效甚至交通事故。因此，强度测试是紧固件质量控制的核心环节，需通过标准化方法精准评估其抗拉伸、抗剪切、抗疲劳等能力。本文结合行业标准与实际测试经验，解析汽车紧固件常见强度测试方法及具体流程。

拉伸强度测试：评估轴向抗拉能力

拉伸强度测试是紧固件最基础的强度测试，用于测定其在轴向拉力作用下的抗拉强度、屈服强度及延伸率，直接反映紧固件抵抗拉断的能力。测试原理基于材料力学的轴向拉伸试验，通过万能试验机向试样施加缓慢递增的轴向拉力，直至试样断裂，同步记录力-位移曲线。

具体流程需严格遵循标准规范（如GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》或ISO 898-1:2013）：首先是样品准备，需从批量产品中随机选取代表性试样（如M10×1.5的8.8级螺栓），去除表面油污、锈蚀等杂质，确保试样原始尺寸准确（用千分尺测量原始直径，计算原始横截面积）；其次是装夹，将试样安装在万能试验机的楔形夹具中，需保证试样轴线与试验机拉力轴线同轴，避免因偏心加载导致测试结果偏差；随后启动测试，按标准规定的加载速率（如≤2mm/min）缓慢施加拉力，试验机自动记录实时力值与位移数据；最后是结果计算，抗拉强度（σb）为断裂前的最大拉力（Fmax）除以原始横截面积（A0），即σb=Fmax/A0；屈服强度（σs）则根据力-位移曲线的屈服平台或比例极限确定，若无明显屈服平台，可采用规定非比例延伸强度（σp0.2）。

测试中需注意，若试样在夹具处断裂（而非有效长度内），则结果无效，需重新测试；同时，对于表面处理（如镀锌、渗碳）的紧固件，需确认表面处理是否影响拉伸性能，必要时需去除镀层后测试。

剪切强度测试：评估横向抗剪能力

剪切强度测试针对紧固件在横向剪切力作用下的抗破坏能力，常见于销钉、铆钉及承受剪切载荷的螺栓（如底盘悬架的连接螺栓）。其原理是向试样施加垂直于轴线的剪切力，使试样在预定剪切面发生剪切断裂，从而测定抗剪强度。

流程上，首先是样品准备：需根据紧固件类型加工试样——如双头螺栓需加工成两端带有螺纹的剪切试样，销钉则需切割成规定长度的圆柱试样；若为实际应用中的连接结构（如螺栓穿过两块钢板），可直接采用装配后的试样进行测试。其次是装夹：使用专用剪切夹具（如单剪切或双剪切夹具）固定试样，确保剪切面与加载方向垂直，且剪切面数量（单剪切1个面，双剪切2个面）符合测试要求。例如，测试M8螺栓的双剪切强度时，需将螺栓穿过两块平行的钢板，夹具固定钢板，加载方向垂直于螺栓轴线。

测试过程中，通过万能试验机或专用剪切试验机施加缓慢递增的剪切力，直至试样在剪切面断裂，记录最大剪切力（Fshear）。抗剪强度（τ）的计算需根据剪切面数量：单剪切时，τ=Fshear/A（A为剪切面面积，即πd²/4，d为试样直径）；双剪切时，τ=Fshear/(2A)。需注意，剪切夹具的精度直接影响结果——若夹具间隙过大，会导致试样发生弯曲，需定期校准夹具平行度。

行业常用标准包括GB/T 3098.10-2010《紧固件机械性能 有色金属制造的螺栓、螺钉、螺柱和螺母》（适用于有色金属紧固件）或ISO 898-10:2009（适用于钢铁紧固件的剪切测试）。

扭矩-夹紧力测试：关联拧紧工艺与夹紧效果

汽车紧固件的夹紧力（预紧力）是保证连接可靠性的关键——夹紧力不足会导致松动，过大则可能使螺栓屈服或被连接件变形。扭矩-夹紧力测试的核心是建立“拧紧扭矩”与“夹紧力”的定量关系，评估紧固件的扭矩系数（K），为生产中的拧紧工艺提供依据。

流程需模拟实际拧紧场景：首先准备试样——包括螺栓、螺母、垫片及被连接件（如厚度10mm的Q235钢板），需确保被连接件表面平整，无毛刺。其次是装夹：将被连接件固定在测试台架上，螺栓穿过被连接件的孔，套上垫片，拧上螺母；在被连接件与螺母之间安装夹紧力传感器（或在被连接件内部粘贴应变片），用于实时测量夹紧力；同时，使用扭矩扳手或伺服拧紧机施加拧紧扭矩，确保扭矩与夹紧力同步采集。

测试时，按预设的拧紧速率（如10r/min）逐步增加扭矩，同步记录每一步的扭矩值（T）与夹紧力值（Fclamp），直至达到目标扭矩（如100N·m）。测试完成后，通过数据拟合得到扭矩-夹紧力曲线，计算扭矩系数K=T/(Fclamp×d)（d为螺栓公称直径）。正常情况下，扭矩系数的范围为0.10~0.20（受表面粗糙度、润滑状态影响）——若K值过大，说明拧紧时摩擦阻力大，需增加润滑；若K值过小，则可能导致夹紧力过大，需调整拧紧扭矩。

需注意，测试前需对螺栓、螺母进行清洁，去除表面油污或灰尘，避免杂质影响摩擦系数；同时，被连接件的硬度、厚度需与实际应用一致，否则会导致夹紧力测量偏差。行业标准如GB/T 16823.3-2010《螺纹紧固件 拧紧试验方法》或ISO 16047:2005对此有详细规定。

疲劳强度测试：评估交变载荷下的寿命

汽车行驶过程中，紧固件会受到发动机振动、路面颠簸等交变载荷，长期作用下易发生疲劳断裂（如发动机连杆螺栓、车轮螺栓的疲劳失效）。疲劳强度测试的目的是测定紧固件在交变应力下的疲劳寿命（循环次数），评估其抗疲劳能力。

流程上，首先是样品准备：需按标准（如GB/T 3098.12-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱的疲劳试验》）加工疲劳试样——对于螺栓，通常需将头部或螺纹部分加工成光滑圆柱（避免螺纹处的应力集中影响结果），试样尺寸需符合试验机夹具要求。其次是装夹：将试样安装在疲劳试验机的同轴夹具中，确保试样轴线与加载轴线一致，避免弯曲应力叠加。

测试参数设置是关键：需根据紧固件的实际工作载荷确定应力比（R，即最小应力与最大应力的比值）——汽车中常见的是拉-拉交变载荷（R=0.1~0.5），如发动机螺栓的应力范围为100~500MPa。设置循环频率（通常为10~50Hz，避免试样发热），然后启动试验机，向试样施加交变应力，直至试样断裂，记录循环次数（N，即疲劳寿命）。

为获得完整的疲劳性能数据，需对同一批次试样施加不同应力水平的交变载荷，绘制S-N曲线（应力幅S与循环次数N的关系曲线），从而确定疲劳极限（即循环次数达到10^7次仍未断裂的最大应力）。测试中需注意，试样表面质量对疲劳寿命影响极大——若试样有划痕、夹杂物，会显著降低疲劳寿命，因此需保证试样表面光滑，无缺陷。

冲击强度测试：评估低温环境下的韧性

对于北方寒冷地区的汽车，紧固件需承受低温环境下的冲击载荷（如冬季行驶中车轮螺栓受路面坑洼冲击）。冲击强度测试用于评估紧固件在低温下的韧性，避免因脆性断裂导致失效。

流程需遵循GB/T 229-2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》：首先是样品准备，将螺栓加工成带有V型或U型缺口的夏比冲击试样（缺口深度2mm，角度45°），确保缺口位于试样的有效区域（如螺栓的杆部）。其次是预处理：将试样放入低温箱中，按测试温度（如-40℃、-20℃）保温30分钟以上，保证试样内部温度均匀。

测试时，快速将试样从低温箱取出，安装在摆锤冲击试验机的支座上（缺口背对摆锤方向），释放摆锤冲击试样，记录冲击吸收功（Ak）——即摆锤冲击前后的能量差。冲击吸收功越大，说明试样韧性越好，低温抗冲击能力越强。

需注意，低温测试时试样从低温箱取出到冲击的时间需控制在10秒内，避免温度回升影响结果；同时，同一批次需测试多个试样（通常3个），取平均值作为最终结果。若试样断裂面有明显的脆性断裂特征（如平整、发亮），说明其低温韧性不足，需调整材料成分（如增加锰含量）或热处理工艺（如调质处理）。