如何确定“刚刚好”的拧紧力矩？

一、为什么必须拧紧？

拧紧螺栓，本质上不是为了“锁死”螺母，而是为了在螺栓内部产生一个巨大的轴向拉力，这个力被称为 “预紧力” 。预紧力是螺栓连接所有功能的源泉。

1. 抵抗外部分离力：任何连接点在工作时都会承受载荷。预紧力就像一个预先压紧的弹簧，将连接部件紧紧地夹在一起。当外部试图将部件拉开的力作用时，首先要克服这个巨大的预紧力。只要预紧力足够大，螺栓本身几乎不承受额外的动态拉力，从而极大提高了连接的抗疲劳寿命。

2. 防止横向滑移与松动：对于承受剪切力的连接（如桥梁钢结构），高预紧力会在结合面间产生巨大的摩擦力，完全依靠摩擦力来抵抗横向滑移，螺栓杆身不承受剪切力。同时，稳定的夹紧力能有效防止因振动导致的螺母松动。

3. 保证密封性：对于法兰、缸盖等需要密封的连接，均匀且足够的预紧力能确保垫片被充分压缩，形成可靠的密封屏障，防止泄漏。

核心机理：您可以将其想象为用弹簧压紧两片木板。螺栓就是那根被拉伸的“弹簧”（产生预紧力），而木板就是被夹紧的零件。拧紧的过程，就是拉伸弹簧、压紧木板的过程。

二、拧到多紧合适？

拧紧的目标，是在螺栓材料强度允许的范围内，施加尽可能大且稳定的预紧力。这个“黄金点”通常被设定在螺栓材料屈服强度的70%-90%（对于一般连接，常取70%-80%）。原因如下：

⚪ 过低：预紧力不足，无法有效抵抗外载荷，可能导致连接松动、泄漏或滑移。

⚪ 过高：超过屈服强度，螺栓会发生塑性伸长，导致预紧力衰减甚至螺栓断裂。

三、如何确定这个“点”？

我们无法直接测量螺栓内部的预紧力（需昂贵传感器），但可以通过控制拧紧力矩来间接控制它。两者关系由以下经典公式描述：

⚪ T = K * F * d

⚪ T: 拧紧扭矩 (单位: N·m)

⚪ F: 目标预紧力 (单位: N)

⚪ d: 螺栓公称直径 (单位: m)

⚪ K: 扭矩系数 (一个无纲量关键参数)

扭矩系数K 是一个综合了摩擦条件的“黑匣子”，它包含了螺纹副摩擦（约40%）、支撑面摩擦（约50%）以及将扭矩转化为拉力的效率（约10%）。K值受润滑条件、表面涂层、硬度、粗糙度影响极大。同一规格螺栓，干拧和涂润滑油后的K值可相差一倍以上，这就是为什么必须严格规定装配工艺。

依据与资料：

⚪ 《机械设计手册》：提供了各强度等级螺栓推荐拧紧力矩的参考表，其理论基础即为上述公式和材料屈服极限。

⚪ 德国工程师协会标准 VDI 2230：这是螺栓连接计算领域的“圣经”。它系统地阐述了高强度螺栓连接的分析方法，详细考虑了外载荷、摩擦力、材料松弛、被夹紧件刚度等复杂因素。

四、不同螺栓，大不相同

1. 不同强度等级的螺栓拧紧力是否不同？

答案是肯定的。螺栓的强度等级（如4.8、8.8、10.9、12.9）直接决定了其能承受的最大预紧力。

⚪ 标记含义：以8.8级为例，第一个数字“8”代表公称抗拉强度（800 MPa）的1/100；第二个数字“.8”代表屈服强度比（即屈服强度/抗拉强度=0.8）。因此，8.8级螺栓的屈服强度为 800 * 0.8 = 640 MPa。

⚪ 结论：强度等级越高，材料的屈服强度越高，可施加的目标预紧力F就越大。在相同规格（d）和摩擦条件（K）下，所需的拧紧力矩T也必然越大。这就是为什么装配图或手册中，对不同等级的螺栓会规定不同的扭矩值。

五、结论

螺栓拧紧，是一门融合了材料力学、摩擦学与精密控制技术的科学。理解预紧力的核心作用，掌握扭矩与预紧力的关系，并严格区分不同强度螺栓的特性与工艺要求，是确保每一个连接点安全、可靠的基础。下一次当您拧紧一颗螺栓时，不妨想一想，您正在施加的不仅是一份扭矩，更是一份对抗复杂载荷、保障整体结构安全的“预应力锚固”。

附件：机械设计手册