机械工程师必知的紧固件分类、螺纹识别检验及性能要求

紧固件是机械工程师们应该熟悉的常用零件，今天机械工程师小编就从紧固件的分类、螺纹的识别与检验、螺栓、螺钉、螺柱的材质要求、热处理要求、机械性能要求、钢结构螺栓种类与结构四个方面为大家介绍，内容丰富，值得收藏。

1、紧固件的分类

1.什么是紧固件？

紧固件是用于将两个或两个以上的零件（或部件）紧固连接成一个整体的一类机械零件的统称，市场上也称之为标准件。

2.通常包括以下12种部分：

螺栓、螺柱、螺钉、螺母、自攻螺钉、木螺钉、垫圈、固定环、销钉、铆钉、组件和连接器、焊接。

（1）螺栓：由头部和螺杆（带有外螺纹的圆柱体）两部分组成的一类紧固件。它需与螺母配合使用，用于紧固连接两个带有通孔的零件。这种连接形式称为螺栓连接。若将螺母从螺栓上旋下，则可使两个零件分离，因此螺栓连接属可拆卸连接。

如下所示：

（2）螺柱：没有头部、两端只有外螺纹的一类紧固件。连接时，须将一端旋入带有内螺纹孔的零件中，另一端穿过带有通孔的零件中，然后旋上螺母，使两零件紧固连接成一个整体。这种连接形式称为螺柱连接，也属于可拆卸连接。主要用于被连接零件之一较粗、要求结构紧凑或拆卸频繁，不宜采用螺栓连接的场合。

如下所示：

（3）螺钉：也是由头部和螺杆两部分组成的一类紧固件。按用途可分为钢结构螺钉、紧定螺钉和特殊用途螺钉三类。机器螺钉主要用于将带有固定螺纹孔的零件紧固于带有通孔的零件上，不用螺母固定（这种连接形式叫螺钉连接，也属于可拆卸连接；也可配用螺母紧固两个带有通孔的零件）。紧定螺钉主要用于固定两个零件之间的相对位置。特殊用途螺钉包括吊装零件用的吊环螺栓等。

如下所示：

（4）螺母：具有内螺纹孔，一般为扁六角柱状，也可以为扁方柱状或扁圆柱状，与螺栓、螺柱或钢结构螺钉配合使用，将两个零件紧固连接在一起，形成一个整体。

如下所示：

（5）自攻螺钉：与螺钉类似，但螺杆上的螺纹为特殊的自攻螺钉螺纹，用于将两个薄金属构件紧固连接在一起，形成一个整体。构件上需事先开出小孔。由于该类螺钉硬度较高，可直接旋入构件孔内，在构件内形成相应的内螺纹。该类连接也属于可拆卸连接。

如下所示：

（6）木螺钉：与螺钉类似，但螺钉上的螺纹为特殊的木螺钉螺纹，可直接旋入木制构件（或零件），用于将带有通孔的金属（或非金属）零件紧固于木制构件上。此种连接也属可拆卸连接。

如下所示：

（7）垫圈：一种形状为扁圆环的紧固件。它置于螺栓、螺钉或螺母的支撑面与被连接零件表面之间。它增大了被连接零件的接触表面积，减少了单位面积的压力，保护被连接零件的表面不受损伤。另一类弹性垫圈也能防止螺母松动。

如下所示：

（8）挡圈：安装在钢结构或设备的轴槽或孔槽内，防止轴或孔上机件左右移动。

如下所示：

（9）销钉：主要供零件定位用，有的也可用于连接零件、固定零件、传递动力或锁紧其他紧固件。

如下所示：

（10）铆钉：由头部和柄部组成的一类紧固件，用于将两个带有通孔的零件（或构件）紧固连接在一起，使之成为整体。这种连接形式称为铆钉连接，简称铆接。它是一种不可拆卸连接，因为必须折断零件上的铆钉才能使两个被连接零件分离。

如下所示：

（11）组合件与接头：组合件是指以组合形式供应的一类紧固件，例如机械螺钉（或螺栓、自备螺钉）与平垫圈（或弹簧垫圈、锁紧垫圈）组合供应；接头是指与专用螺栓、螺母、垫圈组合供应的一类紧固件，例如钢结构用高强度大六角头螺栓连接件。

如下所示：

（12）焊钉：由裸杆和钉头（或无钉头）组成的异型紧固件。它通过焊接固定于某一零件（或构件），以便与其它零件连接。如下图所示：

2. 螺纹的识别与检查

1.螺纹的用途及特点

螺纹的用途十分广泛，从飞机、汽车到我们日常生活中的水管、煤气，螺纹大部分用于紧固连接，其次是传递力和运动，也有一些是用于特殊用途的螺纹，虽然种类繁多，但数量有限。

螺纹之所以能长期使用，是因为它具有结构简单，性能可靠，拆卸和制造容易等特点，使它成为当今各类机电产品中不可缺少的结构元件。

根据螺纹的用途，各种螺纹零件应具备以下两个最基本的功能：一是良好的旋合性；二是足够的强度。

2. 螺纹的分类

a.按其结构特点和用途可分为四类：

普通螺纹（紧固螺纹）：螺纹形状为三角形，用于连接或紧固零件。普通螺纹按螺距分为粗螺纹和细螺纹。细螺纹连接强度较高。

传动螺纹：牙形有梯形、矩形、锯齿形、三角形。

密封螺纹：用于密封连接，主要有管螺纹、圆锥螺纹和圆锥管螺纹。

特殊用途的螺纹，简称特殊螺纹。

b.螺纹按地区（国家）可分为公制螺纹（米制螺纹）、英制螺纹、美制螺纹等。我们通常将英制螺纹和美制螺纹统称为英制螺纹。它们的牙型角有60°、55°等，直径、螺距等相关螺纹参数以英制尺寸（英寸）为单位。但我国已将牙型角统一为60°，并以直径、螺距系列以毫米（mm）为单位，并将该类螺纹命名为：普通螺纹。

3.普通螺纹牙型

4. 螺纹基本术语

螺纹：在圆柱体或圆锥体表面上沿螺旋线形成的具有规定齿形的连续凸起。

外螺纹：在圆柱体或圆锥体的外表面上形成的螺纹。

内螺纹：在圆柱体或圆锥体的内表面上形成的内螺纹。

大径：与外螺纹顶部或内螺纹底部相切的假想圆柱体或圆锥体的直径。

小径：与外螺纹根部或内螺纹牙顶相切的假想圆柱体或圆锥体的直径。

中径：齿廓上槽与凸起等宽处的母线所经过的假想圆柱或圆锥的直径，这种假想圆柱或圆锥称为中径圆柱或中径圆锥。

右旋螺纹：顺时针旋转时啮合的螺纹。

左旋螺纹：逆时针旋转时旋入的螺纹。

齿角：螺纹齿形上两个相邻齿侧之间的角度。

齿距：两个相邻齿的中径线上两对应点之间的轴向距离。

5. 螺纹标记

公制螺纹标记：

一般来说，一个完整的公制螺纹标记应该包括以下三个方面：

a代表螺纹特性的螺纹类型代码；

b.螺纹尺寸：一般由直径、螺距组成，对于多头螺纹还应包括导程、螺纹牙数。

c.螺纹精度：大多数螺纹的精度是由各直径的公差带（包括公差带的位置和大小）和旋合长度决定的。

英制螺纹标记：

6. 螺纹测量

对于一般的标准螺纹，都采用螺纹环规或塞规进行测量。

由于螺纹参数较多，不可能对每个螺纹参数进行逐一测量，通常我们采用螺纹量规（螺纹环规、螺纹塞规）对螺纹进行综合判断。这种检查方法属于模拟装配的验收方法，不仅方便可靠，而且精度要求与普通螺纹相同，因此成为实际生产中最常用的验收方法。

7. 螺纹测量（中径）

在螺纹连接中，只有中径才能决定螺纹配合的性质，因此如何正确判断中径是否合格十分关键。基于中径应保证螺纹最基本的使用性能这一目标，标准规定了判断中径合格的原则，即：“实际螺纹的有效中径不能超过最大实体齿廓的中径。实际螺纹任何部分的单个中径不能超过最小实体齿廓的中径。”

目前测量单根平均直径有两种比较方便的方法，一是用螺纹平均直径千分尺测量平均直径，二是用三针法测量（我公司采用的是三针法）。

8.螺纹配合等级：

螺纹配合是配合螺纹之间的松紧程度，配合等级是作用于内螺纹和外螺纹的偏差和公差的规定组合。

（1）统一英制螺纹，外螺纹有1A、2A、3A三个等级，内螺纹有1B、2B、3B三个等级，均为间隙配合，等级数越大，配合越紧。英制螺纹中，仅1A、2A等级规定了偏差，3A等级的偏差为零，1A和2A等级的等级偏差相等。

等级数字越大，公差越小，如图：

1）1A和1B级为非常宽松的公差等级，适用于内螺纹和外螺纹的公差配合。

2）2A和2B级是英制系列机械紧固件最常用的螺纹公差等级。

3) 3A 和 3B 级，拧在一起形成最紧密的配合，适用于公差严格的紧固件并用于安全关键设计。

4）外螺纹1A、2A级有配合偏差，3A级无配合偏差，1A级的公差比2A级的公差大50%，比3A级的公差大75%；内螺纹2B级的公差比2A级的公差大30%，1B级的公差比2B级的公差大50%，比3B级的公差大75%。

（2）公制螺纹，外螺纹常用螺纹等级有：4h、6e、6g、6h，内螺纹常用螺纹等级有：6G、6H、7H。（日本标准螺纹精度等级分为I、II、III三级，通常以II级为准）公制螺纹中，H、h基本偏差为零，G基本偏差为正值，e、f、g基本偏差为负值。如图所示：

1）H位置为内螺纹常用公差带位置，表面涂层或磷化层很薄时一般不采用；G位置基本偏差用于特殊场合，如涂层较厚时，一般很少采用。

2）常采用g来镀6-9um的薄镀层，例如产品图要求6h螺栓，则镀前螺纹采用6g的公差带。

3）螺纹的最佳配合为H/g、H/h或G/h，对于螺栓、螺母等精细紧固件的螺纹，标准建议采用6H/6g配合。

普通螺纹中等精度等级

螺母：6H 螺栓：6g

适用于厚覆盖层螺纹的中等精度等级

螺母：6G 螺栓：6e

高精度等级

螺母：4H 螺栓：4h、6h

9.常见特殊螺纹

自攻螺纹：是一种导程较大的宽螺纹。

国标/T5280 日标B1007

3.螺栓、螺钉和螺柱的材料、热处理和机械性能

螺栓、螺钉和螺柱的材料和热处理要求

螺栓、螺钉和螺柱的机械和物理性能

4、钢结构螺栓种类及构造

1.钢结构螺栓连接概述

钢结构螺栓连接是利用螺栓将两个或多个钢结构部件或构件连接成一体的方法。螺栓连接是构件预装和结构安装中最简单的连接方法。

全螺栓连接的梁柱节点

螺栓连接最早用于金属结构安装。20世纪30年代末，螺栓连接逐渐被铆钉连接所代替，在构件装配中仅作为临时固定措施。20世纪50年代出现了高强度螺栓连接方法。高强度螺栓采用中碳钢或中碳合金钢制成，其强度比普通螺栓高2～3倍。高强度螺栓连接具有施工方便、安全可靠等优点。20世纪60年代以后，在一些冶金工厂的钢结构制作安装中开始采用。

梁接头采用全螺栓连接

2.螺栓规格

钢结构中常用的螺栓规格有M12、M16、M20、M24、M30。M为螺栓符号，数字为公称直径。

螺栓按性能等级分为十个等级：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9。8.8级以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢，经热处理（淬火、回火），一般称为高强度螺栓。8.8级以下（8.8级除外，精制普通螺栓也包括8.8级）螺栓一般称为普通螺栓。下表为螺栓的性能等级及力学性能。

螺栓性能等级数字由两部分数字组成，分别代表螺栓的公称抗拉强度和材料的屈强比。例如性能等级为4.6的螺栓含义为：数字的第一部分（4.6中的“4”）为螺栓材料公称抗拉强度（N/mm2）的1/100，即fu≥400N/mm2；数字的第二部分（4.6中的“6”）为螺栓材料屈强比的10倍，即fy/fu=0.6；两部分数字的乘积（4×6=“24”）为螺栓材料公称屈服点（或屈服强度）的1/10（N/mm2），即fy≥240N/mm2。

钢结构常用螺栓按制造精度可分为A、B、C三个等级。A、B级为精制螺栓，一般用于机械产品，C级为毛坯螺栓。如无特殊规定，钢结构常用螺栓一般为普通毛坯C级螺栓，性能等级为4.6级或4.8级。

螺栓连接强度设计值取自GB50017-2003《钢结构设计规范》表3.4.1-4。

3.螺栓的分类

螺栓有很多叫法，如螺钉、螺栓、标准件、紧固件等。

广义上讲螺栓包括普通螺栓、高强度螺栓、地脚螺栓、膨胀螺栓、化学锚栓、螺钉、螺柱等；狭义上讲螺栓分为普通螺栓连接和高强度螺栓。

（1）普通螺栓连接

普通螺栓按其制造精度分为毛螺栓和精螺栓。

普通螺栓按形式可分为六角头螺栓、双头螺栓、沉头螺栓等；

上图是沉头螺栓

粗糙的螺栓

C级螺栓一般为碳素结构钢制成的毛坯螺栓，为使螺栓能顺利穿入螺孔，孔径应比螺栓公称直径d大1.0～2.0mm，为Ⅱ级孔。螺栓孔间距应布置成便于扳手拧紧螺母。毛坯螺栓用于柱、梁、屋架等构件连接时，应采用带支撑板的连接结构，此时螺栓处于受拉状态，其剪力由支撑板承担（如下图所示）。

粗制螺栓材料强度等级较低，限制了其在结构连接中的使用范围，但在剪力较小的工作平台次梁、墙梁、屋架梁与支撑、铰接支座等连接中仍得到广泛的应用。

上图为普通螺栓

毛坯螺栓还常用于工厂钢结构的预装配、铆接构件铆接前的预紧、高强度螺栓连接前的装配、安装节点焊接前的临时紧固。毛坯螺栓作为永久固定螺栓使用时，需找正后紧固，并须采取防松措施。

上图为柱脚螺栓双螺母防松措施

精制螺栓

A、B级螺栓为精制螺栓，其孔一般为I级孔，其孔径应比螺栓公称直径d大0.3-0.5mm。精制螺栓连接用于一些经常拆卸、不能铆接的结构连接。精制螺栓一般用于机械产品，在建筑钢结构中很少使用。

（2）高强度螺栓连接

用高强度钢制成的螺栓或需要较大预紧力的螺栓都称为高强度螺栓。高强度螺栓施加预紧力，通过摩擦力传递外力。普通螺栓连接是通过螺栓杆的抗剪力和孔壁的压力来传递剪力的。拧紧螺母时产生的预紧力很小，其影响可以忽略不计。高强度螺栓除了材料强度高外，还对螺栓施加较大的预紧力，使被连接构件之间产生挤压力，导致在垂直于丝杆方向上产生很大的摩擦力。另外，预紧力、抗滑移系数、钢材种类等都直接影响高强度螺栓的承载力。

高强度螺栓的工作原理

高强度螺栓按受力情况主要分为摩擦型和承压型两大类。

按照施工工艺，高强螺栓分为扭剪型高强螺栓、大六角高强螺栓两种。

扭剪型高强度螺栓及大六角高强度螺栓

摩擦型高强度螺栓连接，外力由螺栓紧固压力使连接板层紧密后，在钢板接触面上产生的摩擦力来传递。构件表面经喷砂处理后生成红锈面，可获得较大的摩擦系数，减少连接螺栓的数量。摩擦型高强度螺栓的孔径应比螺栓公称直径d大1.5～2.0mm。

承压高强螺栓连接是利用构件间的摩擦力和螺栓中心轴的剪力以及构件的承压共同作用来传递应力的，孔径应比螺栓公称直径d大1.0～1.5mm，孔采用数控钻床钻孔、钻架钻孔。

总之，摩擦型高强螺栓与压力型高强螺栓其实是同一种类型的螺栓，区别在于设计时是否考虑滑移。从设计上讲，摩擦型高强螺栓的摩擦面不能滑动，螺杆不承受剪切力，一旦摩擦面发生滑移即认为已达到设计破坏状态，技术上成熟可靠；压力型高强螺栓的摩擦面可以滑动，螺杆同样承受剪切力，最终破坏与普通螺栓破坏相同（螺栓剪切破坏或钢板压溃破坏）。

大六角高强度螺栓是由一个高强度螺栓、一个螺母和两个垫圈组成高强度螺栓连接副。

施工时先用毛坯螺栓对结构进行临时固定，待结构安装找正后，从螺栓组中间开始，逐个将毛坯螺栓更换为高强度螺栓并初拧，初拧后再按顺序进行复拧，最后拧紧。

上图为不同长度的大六角高强度螺栓的连接。

安装大六角头高强螺栓连接副时，应在螺栓两侧各加垫圈。初拧扭矩值为终拧扭矩值的50%，复拧扭矩值等于终拧扭矩值。终拧扭矩值计算公式为：Tc=K*Pc*d。式中Tc为终拧扭矩值，单位N·m；K为扭矩系数；Pc为施工预拉力，单位kN；d为高强螺栓螺纹直径，单位mm。采用力矩扳手拧紧，每次使用前应进行扭矩校准。

扭剪型高强螺栓，高强螺栓、螺母、垫圈组成扭剪型高强螺栓连接副。

扭剪型高强度螺栓

扭剪型电动扳手

扭剪型高强度螺栓的安装原理

安装扭剪型高强螺栓连接副时，应只在螺母一侧加一个垫圈。初拧扭矩值计算公式为：Tc=0.065*Pc*d。式中Tc为初拧扭矩值，单位N·m；Pc为施工预拉力，单位kN；d为高强螺栓螺纹直径，单位mm。终拧用专用扳手，直至尾部梅花头折断。质量检验的重点应放在对施工过程的监督检查上。

（3）地脚螺栓

地脚螺栓又称锚栓、锚螺丝、锚丝等，用于钢结构柱脚与混凝土基础的连接，一般采用Q235、Q345圆钢制作。

不同类型的锚栓（直径大于 24 毫米的锚栓应使用锚板）

安装时，采用钢架固定锚栓组，锚栓组与钢筋笼一起安装，然后浇筑混凝土，锚栓头应露出混凝土表面一定长度，待混凝土达到一定强度后，安装钢柱脚，最后进行柱底二次灌浆。

钢架固定锚栓组

地脚螺栓示意图

钢结构柱脚二次灌浆前图片（采用橡胶套保护锚栓顶部不被拧动）

（4）化学锚栓

化学锚栓是一种新型紧固材料，由化学药剂与金属棒材组成，用于在已建成的混凝土结构上安装其它结构的连接件，可用于各种钢结构、幕墙、大理石干挂施工中的后埋件安装，也可用于设备安装、公路桥梁护栏安装、建筑物加固改造等。

化学锚栓螺钉及锚栓剂

化学锚栓是继膨胀锚栓之后出现的一种新型锚栓，是通过专用化学胶粘剂与螺钉粘接固定于混凝土基材孔洞中的组合件。由于化学锚栓的抗拔承载力大，可以替代预埋锚杆，常用于钢结构预埋件在施工现场忘记安装，但混凝土已浇筑完毕的情况补救。

化学锚栓的施工步骤如下：

1）根据工程设计要求，在基材（如混凝土）相应位置钻孔，孔径、孔深、螺栓直径应由专业技术人员确定或经现场试验确定。

2）用冲击钻或水钻钻孔。

3）用专用气缸、刷子或压缩空气机清理钻孔内的灰尘，建议至少重复3次，孔内应无灰尘和可见的水迹。

4）保证螺栓表面清洁、干燥、无油。

5）确认玻璃管锚固包装无外部破损、药剂凝固等异常现象，将其圆头朝外放入锚孔内，推至孔底。

6）使用电钻和专用安装夹具用力旋转螺丝，直至到达孔底。切勿使用冲击法。

7）当螺丝到达孔底或螺栓上标记位置时，立即停止旋转，取下安装固定装置，胶化后避免搅动，直至完全固化。超时旋转会导致胶水流失并影响锚固力。（旋转时间不得超过30秒，转速不低于300转/分且不高于750转/分，螺栓推进速度约为2厘米/秒，不允许使用冲击方法）

（5）膨胀螺栓

膨胀螺栓作用与化学锚栓相同，用于应力较小的锚固。

不同规格的膨胀螺栓

膨胀螺栓不得在混凝土结构的破裂部分或容易发生裂缝的零件中使用，这是在主要承载结构，重要管道和以高速运行，承受影响负载的设计并具有较大振动的膨胀螺栓。

4.螺栓布置和施工要求

螺栓布置可以分为两种类型：平行和交错：

平行 - 简单，整洁，紧凑，连接板的大小很小，但是组件的横截面大大削弱；

交错的布置 - 排列不是紧凑的，所使用的连接板的尺寸很大，但是组件的横截面略有削弱。

力要求

垂直力方向：为了防止螺栓应力浓度相互影响，横截面削弱过多以降低轴承能力，螺栓的边缘距离和端距离不能太小；

遵循力的方向：为了防止板被打破或剪切，端距离不能太小；

对于压缩成员：为了防止连接板的凸起，中心距离不能太大。

施工要求

螺栓的侧距离和中心距离不应太大，不能避免板之间的松动和腐蚀钢的水分侵入。

施工要求

为了促进扳手拧紧螺母，螺栓的中心距离应不少于3DO；

基于上述要求，GB50017-2017“钢结构设计代码”可提供允许的间距和相关的螺栓设计值。