扭矩是一種產生旋轉的力量. 下面是一些最普通的扭矩的事例 :
1. 給表上弦 2. 旋開瓶蓋 3. 旋轉門把手 4. 擰入螺絲.
扭矩在大多數的應用場合都需要著重考慮.
下面四種扭矩有著些微小的差別.
1. 驅動扭矩( Driving Torque )
2. 鎖緊扭矩( Seating Torque )
3. 松動扭矩( Break away Torque )
4.預置扭矩( Prevailing Torque )
所有這些扭矩在實際應用中都會遇到, 但不同的使用狀況其重要性不相同.
1. 驅動扭矩 — 使機件組合在一起必須的施予之旋轉力量.
2. 鎖緊扭矩 — 使機件組合達到預先設定的松緊程度所需要的力量.
3. 松動扭矩 — 使組合在一起的機件分離所必需要的施予之旋轉力量.
4. 預置扭矩 — 在緊固件上設置的一種特性, 使緊固件在一鎖入配合螺紋工件即因磨擦力產生阻力以達成防松的目的, 克服該磨擦力矩所需要的驅動旋轉力矩即稱為預置扭矩.

驅動力矩 : 驅動扭矩在螺絲切削, 螺絲滾制和自鎖機件應用中是主要考慮的問題. 作為旋轉機件必須的最大力, 要求是必須的. 過高的驅動扭矩會使旋轉失效和旋轉失敗, 所有這些將增加緊固件的成本, 所以盡可能地降低驅動扭矩是十分必要的. 這需求就引導出另一個工程要求”驅動-拉脫比”. 它是驅動緊固件需要的扭矩值與抗脫或破壞所配合的內螺紋所需扭矩值的關系, 此值范圍越大, 越有利于減少裝配不良, 重復裝配和降低相應的成本, 緊固件便越適用.
對于螺紋滾制自攻螺絲而言, 其要求的驅動-拉脫比( Drive to Strip Ratio )為1 : 3, 即有一個單位的驅動扭矩, 就需要有三個單位的抗拉脫強度的配合螺紋強度.

鎖緊扭矩 : 鎖緊扭矩是將緊固件旋至所要求的松緊程度或扭力-拉力值的力量. 它以一個最大值表示. 這就是說在小于規定的最大扭矩作用于應該得到指定的松緊度或夾緊力, 這在任何情況下都是十分重要的. 因為緊固件應該能夠適當鎖緊以保證正常的裝配, 但這不應該過度增加扭矩. 過度的扭矩要求會造成驅動系統的失效, 增加勞動強度, 配合的失敗, 所有這些都會造成緊固件費用的增加.

松動扭矩 : 松動扭矩是指將緊固件由鎖緊狀態松開時的旋轉力量. 這在緊固件容易松動的狀況下最具實際意義. 松動扭矩一般和自鎖緊固件相關( 不僅是自鎖緊固件, 防松用緊固件都在內 ), 它以一個最小值來表達, 就是說緊固件不能以小于松動扭矩的力矩脫離組裝件.

預置扭矩 : 從技術上來講, 預置扭矩是一種對旋轉力矩的的反力矩( Resistance to Rotation ). 它通常是指將以固鎖但尚未鎖緊的緊固件旋出時的力矩. 像松動扭矩一樣, 預置扭矩用于容易松動的場合, 它的規定值亦為最小值. 在小于規定扭矩的作用下緊固件必須固鎖( 但不一定鎖緊 )而不能轉動, 每一個緊固件都要求有一定的扭矩來驅動, 這是預置扭矩的”驅動扭矩”, 每一個預置扭矩緊固件都要求有更大的扭矩來鎖緊, 以確保適當的固鎖狀態, 這是”鎖緊扭矩”. 每一個緊固件都需要有一定的扭矩將它從固鎖狀態松開, 這就是”松動扭矩”. 每一緊固件都需一定扭矩將它從未鎖緊但尚固鎖的狀態下取出, 這就是預置扭矩. 扭矩的測試單位是磅-英寸( in pounds )或磅-英尺( foot pounds ). 1磅-英寸就是一磅的力作用在垂直于旋轉中心1英寸距離處產生的力量. 2磅-英寸就是2磅的力作用在垂直于旋轉軸心1英寸距離或1磅的力作用于2英寸處所產生的力量. 由此, 可得出

力矩 = 軸心到扭力的垂直距離 x 力

磅-英寸除以12便得到磅-英尺, 反之, 磅-英寸乘以12即為磅-英尺, 單位的選擇要根據數值的大小. 例如, 我們通常會用100磅-英尺, 而不用1200磅-英寸.
注 : 磅-英寸和磅-英尺均是技術上所用的正確單位. 但我們經常會寫成英寸-磅和英尺-磅. 扭矩是產生轉動所必須的力. 它是作用在臂末端使物體產生旋轉的力量.

回答問題 (不要翻看前面的內容) :
1.什么是扭矩?
2.四種不同的扭矩為何?
3.扭矩的單位是什么?
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抗拉強度( Tensile Strength )
抗拉強度是指材料在外力拉伸下抵抗破斷的能力. 你是否有過將橡膠條拉斷的經驗呢? 如果有, 那么你就是在測試橡膠條的抗拉強度. 緊固件的抗拉強度也是一樣的, 它是緊固件能夠承受的施加在其上而不會使其破斷的抗拉值.
抗拉強度是緊固件最普通的一種物理性質. 它是緊固件的極限強度( Ultimate Strength ). 也是緊固件在應用時考慮的其承載荷重能力( Load Bearing Ability )的基本指標.
抗拉強度用磅/英寸2表示( PSI ). 它是指平均分配在緊固件最小徑截面積上( Cross-Sectional of minor Diameter )可施予緊固件承受的力量. 例如, 緊固件的破斷拉力為100,000磅, 它的最小徑斷面積為1平方英寸, 那么此緊固件的抗拉強度是100, 000PSI. 意即 :
抗拉強度 = 力/面積 = 100,000磅/ 1平方英寸= 100,000PSI
抗拉強度是緊固件抵抗軸向拉力( Axial Tensile )的能力. 它表明了緊固件承受軸向拉伸負荷的能力. 抗拉強度通常是指極限抗拉強度( Ultimate Tensile Strength, UTS ). 因為緊固件的降伏強度( Yield Strength )和保證荷重( Proof Load )與它的抗拉強度有關, 所以我們會在后面加以討論.

回答問題 (不要翻看前面的內容) :
1.什么是抗拉強度?
2.抗拉強度的單位是什么?
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降伏強度( Yield Strength )
理論上, 每一個軸向拉力都將使緊固件產生不同程度的伸長. 因為既有的金屬均有其彈性模數( Degree of Elasticity, 或稱為楊氏模數Young’s Moulde )存在, 通常將負荷去除, 緊固件就會恢復到原來的長度. 當緊固件無法恢復其原長時的負荷值即為其降伏點( Yield Point ). 降伏點是緊固件承受軸向負荷時開始產生塑性變形的那一點.
在緊固件行業, 我們真的希望它能在其彈性極限范圍內使用, 以確保聯接的安全性, 而不希望將它拉伸到降伏點來使用. 因為這會降低緊固件的有效性. 當緊固件被拉伸到其降伏點后便無法收縮回到原的長度. 這種收縮提供了緊固件連接時的有效鎖緊力. 我們可以清楚看到緊固件是如何鎖緊及如何發揮功效的. 假想一個緊固件就如一個一圈圈纏緊的彈簧. 想象一個用彈簧拉緊的門, 當彈簧沒有超過其降伏點時, 它可以有效地將門閉緊. 但當彈簧被過度拉伸而無法恢復到原來的長度時, 彈簧將會失效而無法將門閉緊. 但當彈簧被過度拉伸時, 便會到達其降伏點, 此時彈簧將會失效而無法將門拉緊. 彈簧便失去了其原有的拉力. 緊固件也是如此, 一但被過度拉伸, 便會失去原有的拉力.
一般而言, 降服強度等于于極限抗拉強度的25%. 緊固件的降伏點是指它承受軸向負荷產生永久伸長的那一點.

回答問題 (不要翻看前面的內容):
1. 什么是緊固件的降伏強度?
2. 緊固件的抗拉強度與降伏強度有何關系?
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譯注 : 降伏強度與抗拉強度的關系并非一成不變的25%, 一般而言, 同一種材料的抗拉強度越高( 不管是加工硬化或是熱處理造成 ), 降伏強度與抗拉強度的比值會升高, 延展性則降低, 比如4.6級的螺栓, 由于冷鍛后延展性無法達到30%要求, 因此必需退火, 此時降伏強度與抗拉強度均降低, 降伏強度與抗拉強度大約為45-50%, 冷鍛后5.6級螺栓冷鍛后不作任何處理, 降伏強度與抗拉強度大約為35-40%, 至于8.8級螺栓冷鍛后作調質熱處理, 降伏強度與抗拉強度大約為20-25%, 10.9級及12.9級螺栓冷鍛后作調質熱處理, 降伏強度與抗拉強度大約為10-20%.

保證荷重( Proof Load )
保證荷重是緊固件不產生永久伸長的所能承受的最大軸向拉力, 我們再以彈簧為例, 假設緊固件為一根彈簧, 我們可以想象將彈簧拉到不使它產生永久伸長的最大長度, 就是說到去除負荷后緊固件可以恢復到它原來的長度.
這就表明了緊固件的降伏點和保證荷重的關系十分密切. 理論上講, 就像在一個范圍內有兩個相鄰的點, 一個比另一個小一點點, 那么這個比較小的值就是保證荷重, 另一個比較大的就是降伏點. 因為兩點相距太近, 在實際應用上我們將它們視為等同. 碳鋼類緊固件的保證荷重是其最大抗拉強度的75%. 例如, 碳鋼類緊固件的抗拉強度是100,000PSI, 那么它的保證荷重即為其降伏點, 是75,000PSI.
保證荷重的知識和意義對于業務人員很重要, 因為有時他會被要求提供緊固件在實際應用時可承受的拉力和荷重. 記住一般的原則是 : 施加保證荷重的75%的力, 可以獲得最佳功效. 這是緊固件在使用時關于其拉力的通用原則. 比如我們剛才提到的緊固件, 其抗拉強度是100, 000PSI, 因為保證荷重為抗拉強度的75%, 故其保證荷重為75, 000PSI, 若客戶問你”這支螺栓可以承受多大的拉力使用”時, 你應該回答”保證荷重的75%或(25, 000*75%)56, 250PSI. 保證荷重是緊固件不產生塑性變形所能承受的最大的力. 記住下列三個重要的原則 :
1.碳鋼的保證荷重是其抗拉強度的75%.
2. 將緊固件鎖緊到其保證荷重的75%將發揮其最大功效.
3. 一般須將緊固件鎖緊至其抗拉荷重的50%-60%, 以保證其功效.

譯注 : 保證荷重依規定依照公稱尺寸及產品級數為一個固定值, 緊固件在承受荷重到此一規定值時不可產生任何可能造成組裝失敗的變形. 同樣的, 保證荷重與抗拉強度的關系并非一成不變的25%, 與上一段的批注相同.

回答問題 (不要翻看前面的內容):
1. 什么是保證荷重?
2. 保證荷重和抗拉強度有何關系?
3. 緊固件一般應鎖緊到保證荷重的百分之多少?
4. 一個強度為100, 000PSI的緊固件, 你會將它鎖緊到多大拉力使用(寫出計算公式)?
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扭矩與伸長( Torque-Tension)
扭矩與伸長的關系 : 扭矩與伸長的關系是指當施加扭矩于緊固件時會產生伸長及抵抗力. 扭矩與抗力的關系在應用上非常重要, 如前所述, 業務人員通常會建議客戶以保證荷重的75%的拉力鎖緊緊固件. 客戶接下來就會問”要達到這一拉力需要多大的扭矩? ”, 在回答問題之前你必須清楚為什么一些客戶提出的這個問題是合理的. 在使用緊固件時我們首先考慮的是施加適當的拉力. 既然如此, 客戶為什么還會問到扭矩呢? 因為緊固件在使用時是施加扭矩將其鎖緊的, 因此測定扭矩比測定其實際的拉力值要方便.
現在你知道為什么這是一個很有意義的問題了吧? 你可以考慮答案了, 首先扭矩和抗力有不同的關系. 下面是會影響其相互關系的一些狀況 :
1. 緊固件的表面狀況(本色或電鍍)
2. 螺紋配合的表面狀況
3. 承面狀況
4. 螺紋等級
5. 螺紋類型
6. 緊固件的強度
7. 與之配合的材料強度
8. 潤滑狀況

所有上述這些差異都將影響在實際使用過程中扭矩與抗力的關系.
業務人員應注意千萬不能為客戶推測扭矩與抗力的關系. 友匯已采購了專門用于確定扭矩與抗力關系的裝置( 譯注 : 扭矩 – 拉伸計, 扭矩與摩擦力測試及扭矩與夾緊負荷測試 ). 顯然, 業務人員很難解決這樣一個復雜的問題. 業務人員的職責是了解緊固件的實際使用狀況, 并反饋回來以便我們能夠最好地解決客戶的問題. 如果遇到有關扭矩的問題, 你應該了解 :
1. 緊固件如何使用.
2. 緊固件用什么材料制成.
3. 你將使用何種類型的緊固件.
4. 你需要多大的拉力(夾緊力).
5. 使用什么樣的表面被覆.
6. 你計劃使用何種潤滑.
7. 其它你認為比較重要的使用狀況.
可能的話, 盡量取得所使用的緊固件裝配的樣品. 對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緊固件上時會產生拉力. 扭矩拉力的另一個相關的概念是夾緊力. 這將在后面加以討論.


回答問題 (不要翻看前面的內容):
1. 扭矩拉力的關系是什么?
2. 業務人員應該提供客戶在其特定的使用狀況下扭矩與拉力有什么樣的關系?
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鎖緊力( Clamp Force )
鎖緊力是緊固件鎖緊物體時作用于被鎖緊面( 即承面 )的力.
在應用中, 作用于被鎖緊面的力的大小完全與緊固件所受拉力相等; 事實上, 配件中扭矩鎖緊力的關系與緊固件的扭矩應力關系比率完全相同.
扭力在大多數應用中非常重要, 是因為緊固件中適當的拉力能確保正確裝配; 記住 : 制定扭矩 - 應力關系圖并非銷售人員的職責. 但絕不是說銷售人員可以逃避這些問題, 而是應該由銷售人員收集必要信息交給相關部門, 以便提供最好可能答案.

剪切強度( Shear Strength )
剪切強度是當緊固件在垂直于軸向負荷而產生的阻止變形的能力.
您也許曾在擊高爾夫球時將球頭折斷或至少看到別人這樣過. 您也許注意到球桿碰擊球時, 當球飛出的同時球頭也落地情況, 大家說 : 球頭被球桿剪落. 事實上, 您無意中做了球頭剪切強度測試, 您可以看到球頭是否可承受球桿作用于垂直于其軸線方向的力. 高爾夫球頭制造時因此要使剪切強度小到不能影響擊球.
當緊固件應用于受垂直于軸向載荷時, 務必考慮其剪切強度. 不同于高爾夫球頭的是緊固件必須要能承受這些載荷以完成工作.
剪切強度通常估計為抗拉強度2/3大小, 因此如緊固件抗拉強度為180,000 PSI, 剪切強度則為120,000 PSI; 換句話說, 緊固件應能承受120,000 PSI的垂直于其軸向的載荷.
通常剪切力發生在 : 緊固件垂直釘在兩塊重迭的平行材料上, 同時兩塊材料所受力方向相反時.
只有當緊固件剪切強度大于這個力時緊固件不會失效.

疲勞強度( Fatigue Strength )
疲勞強度是緊固件在循環震動應力( Cyclic Variations in Stress )作用下抵抗疲勞失效的能力. 換言之, 它是緊固件承受在因某種原因下產生的變負載的能力.
一般來說, 疲勞強度大大低于它的最大抗拉強度.
疲勞有若干種類, 但震動是最普遍的類型.
典型的”震動”疲勞的例子是所有應用于柴油機上的”Head-bolt”, 當活塞沿活塞缸下沖時, Head-bolt不受力; 但當活塞再次上升時活塞缸內壓力漸漸增加直至再次下沖時變為零. 整個過程載荷的變化及周期與電機的速度相關.
為克服并確保震動變應力的疲勞失效, 緊固件應能承受大于可能碰到的循環中的最大應力.
疲勞失效是受剪或拉的緊固件需要考慮的一個因素.

延展性( Ductility )
延展性是材料在不開裂情況下永久變形的能力.
延展性在緊固件行業中多個不同的地方均有提及, 但其概念相同的. 首先, 延展性是對將要用于緊固件成型的材質而言, 材質延展性越好, 它在不開裂情況下變形能力越好. 我們用黏土來做例子說明延展性, 盡管它并非緊固件材料.
您可用一個球形黏土捏成扁平形狀, 并且其表面絕對不會有開裂或斷裂; 這即為延展性, 相反, 用石頭做同樣的試驗, 即使是極輕微的變形也會導致開裂及脆斷. 以上兩個極端情況的例子, 而材料有相同性質. 一些材料, 比如鋁是一種延展性很好可以變形很大而不裂開的材料, 而另一些材料, 如硬度大的鋼, 稍微變形即會開裂; 材質延展性是產品成型工藝的決定因素.
用來成型螺紋的材料延展性也需要考慮, 因螺紋成型是緊固件四周的材料變形而成, 而非切削掉多余材料; 再來, 如果在黏土與石頭的材料輾制螺紋; 首先, 在兩種材料上各打一個相同大小孔, 然后插入螺絲旋入, 可以看到, 黏土四周材料會移動或變形但并未有切削作用; 但是當您用同樣一只螺絲插入石塊中, 石塊材料會開裂. 這便是材料的脆性. 當然, 絕不會有人用螺絲旋入黏土或石頭中, 但用來制造螺絲的材料應有相似的延展性. 即材料能夠變形而不致開裂或斷裂才可以.
緊固件延展性要求最后與其應用場合有關. 有些場合緊固件會受到沖擊或大力錘擊. 一般來說, 這些緊固件應在斷裂前變形, 這很重要. 如果緊固件容易碎裂, 則受沖擊會開裂; 如延展性好, 則只會變形, 不會斷裂.
再想一想黏土與石頭. 如果您有兩個大小形狀相似的圓柱, 一個為黏土, 另一個為石頭; 施以同樣垂直于其軸線的沖擊, 則黏土會彎曲, 石頭則會開裂. 緊固件材質有相似狀況. 它們的延展性程度大小不同.
只有定下緊固件應用的所有要求, 友匯及顧客才能一起開發出最適合每一種特殊場合的緊固件.
延展性是材料永久變形而不裂開的能力.
緊固件應考慮延展性三要素 :
1. 緊固件本身材質延展性.
2. 成型處材質延展性.
3.  特殊場合緊固件延展性要求.

硬度( Hardness )
硬度是材料抵抗摩擦, 凹陷, 彎曲的一種指標.
緊固件硬度最重要的意義是抵抗組裝時的摩擦及/或在機械應用場合中的作用. 對螺紋成型及螺紋切削自攻螺絲而言, 由于它使用來自配合孔中擠出或攻鉆出配合的內螺紋, 因此很顯然的, 它的硬度必須比配合的組裝件硬度要高. 如果不是這樣的話, 那在組裝時自攻螺紋會變形或損壞, 而導致旋不進去. 兩種不同硬度的材料可以很清楚的被分出來, 比如說黏土和鋼, 如果您想將鋼制的螺紋成型自攻螺絲旋入黏土中, 因為黏土軟且易于變形, 當然很輕易的就旋進去了. 接下來, 如果您想把黏土做的螺紋成型自攻螺絲旋入鋼中, xxx咧怎么會弄不進去. 因此, 螺紋成型自攻螺絲必須比配合的工件硬.
在某些作業場合下緊固件也會使用到承受面. 尤其是一些具有肩部的螺絲, 硬度僅在于幾個重要的承受部位起作用但卻非常重要. 這些承受面必須有足夠的硬度來承擔組裝時快速增加且會累積的多余的摩擦以保證組裝后的功能并減少維護量. 在一次我們拿黏土和鋼作例子, 因為鋼比黏土硬, 所以作為移動用的緊固件鋼會比黏土使用的好且久.
另一個重要性則是材料的硬度直接與材料的抗拉強度, 剪斷強度及延展性相關. 當硬度增加時 :
1. 抗拉強度增加.
2. 剪斷強度增加.
3.延展性減少.
業務人員應該了解客戶在每一種強度等級及延展性要求應用場合下, 如何去決定相關聯的硬度值. 仔細詢問這些問題并轉給技術部門以便友匯可以建議客戶使用何種緊固件.
硬化緊固件有兩種基本方法 :
1. 冷加工或加工硬化.
2.  熱處理.
當緊固件在室溫之下變形我們稱之曰冷間加工. 冷間加工在變形的材料上施加應力使之變形并會殘留應力使材料變硬. 這種現象在冷打頭( Cold Heading )及擠制( Extrusion )均會發生.
材料在經過數種不同的熱處理后其硬度也會增加. 這些方法在熱處理一章中將專題處理.
緊固件的硬化依其使用場合之不同可以分為三種不同的方式 :
1.全硬化( Through Hardened ).
2. 表面硬化( Case Hardened ).
3. 選擇性硬化( Selectively Hardened ).
這三種名稱是根據硬度在材料上狀況的不同來命名, 全硬化緊固件全部的部位都多經過硬化. 其心部與表面均予以硬化. 表面硬化緊固件在材料表面很淺的部位進行硬化處理. 在緊固件上, 表面將會比心部要堅硬很多. 選擇性硬化則是僅在緊固件選擇某些部位進行硬化處理, 通常是在尾部. 經選擇性硬化處理過的部位也比其它未經硬化的部位要堅硬很多.
緊固件經過全硬化處理后可增加其強度級數, 緊固件如螺栓經全硬化處理后可以使螺栓抵抗更大的拉力而不致破斷.
緊固件經過表面硬化處理后主要可以增加其在組裝時之耐磨性, 大多數的螺紋成型及螺紋切削自攻螺絲系使用表面硬化處理, 這是因為這些自攻螺絲必須在所配合的工件上攻出配合內螺紋. 如果這些螺絲使用全硬化到表面硬化的水平時, 緊固件會斷裂, 因此在大多數場合下并不實用.
當緊固件實施全硬化或表面硬化具有危險性時, 可以使用選擇性硬化處理, 選擇性硬化處理主要是用在螺紋成型自攻螺絲, 某些螺紋成型自攻螺絲因為其特殊使用場合而希望可以保存全硬化的強度等級及延展性, 而又必須有足夠的尾部及螺紋硬度來成型配合內螺紋, 因此使用選擇性硬化處理. 處理時先將緊固件全硬化到希望強度等級, 再對尾部及緊固件末端曰4-5個螺紋進行表面硬化處理以維持自攻功能.
選擇性硬化處理成本遠高于全硬化處理或表面硬化處理. 但如果使用場合必須要如此處理時, 它還是非常具有價值.
至于熱處理的實施方法可以參照本手冊熱處理章.
硬度是材料抵抗摩擦, 凹陷, 彎曲的一種指標.
硬度影響緊固件組裝時的摩擦.
硬度測試應該在一種可以以特定荷重壓入材料并測量其深度的機械上實施. 最常用的洛式硬度計和勃氏硬度計( 或維克式硬度計 )且具有多種尺度用以度量不同狀況下的硬度值.
硬度與強度和延展性質相關, 且透過加工硬化或熱處理硬化獲得.