六角螺母作为机械连接中最常用的紧固件之一，其承载能力直接关系到连接结构的安全性和可靠性。六角螺母承载实验是通过模拟实际受力工况，测试螺母在轴向载荷作用下的力学性能（如最大承载能力、屈服特性、失效模式等）的实验，广泛应用于质量检测、机械设计及材料研发等领域。以下从实验目的、原理、设备、步骤、分析及影响因素等方面详细说明：

一、实验目的

测定六角螺母在轴向载荷下的极限承载能力（最大可承受的载荷）和屈服载荷（开始发生塑性变形时的载荷）。

分析螺母的失效模式（如螺纹滑丝、本体断裂、螺纹塑性变形等），判断其失效原因。

验证螺母是否符合相关标准（如 GB、ISO、ASTM）的力学性能要求，为质量验收提供依据。

研究材料特性、制造工艺、规格尺寸等对螺母承载能力的影响，优化产品设计或生产工艺。

二、实验原理

基于材料力学中的强度理论，六角螺母在轴向载荷（拉力或压力）作用下，螺纹牙间会产生接触应力，螺母本体受拉应力或压应力。当载荷超过材料的屈服强度时，螺纹会发生塑性变形（如滑丝）；当载荷超过极限强度时，螺母可能发生断裂（本体断裂或螺纹断裂）。

实验通过记录载荷与变形的关系，结合材料强度指标（屈服强度、抗拉强度），评估其承载能力。

三、实验设备与材料

1. 核心设备

万能试验机：用于施加轴向载荷（拉力或压力），可精确控制加载速度（如 0.5~5mm/min），并实时记录载荷 - 变形数据（精度通常达 ±1%）。

夹具：用于固定螺母与螺栓（模拟实际配合），需保证载荷轴向传递，避免偏载（偏载会导致局部应力集中，降低承载能力）。

测量工具：千分尺（测螺母尺寸：对边距、厚度、螺纹中径）、应变片（贴于螺母表面，测局部应变）、光学显微镜（观察失效后螺纹表面形貌）。

2. 实验材料

待测试的六角螺母（需标注规格：如 M10×1.5，材料：Q235 碳钢、304 不锈钢等）。

配套螺栓（与螺母螺纹规格匹配，材料强度应高于螺母，避免螺栓先失效影响实验）。

四、实验步骤（以轴向拉伸实验为例）

1. 样品预处理

检查螺母表面质量：无裂纹、毛刺、锈蚀等缺陷；用千分尺测量关键尺寸（对边距、厚度、螺纹中径），记录数据（至少测 3 个点取平均值）。

清理螺纹：去除螺纹内的油污、杂质，确保与螺栓配合顺畅（避免因杂质导致受力不均）。

2. 安装与调试

将螺栓拧入螺母（按标准拧紧扭矩预紧，如 M10 螺母预紧扭矩约 30~40N・m），确保螺纹啮合长度符合要求（通常不小于螺母厚度的 0.8 倍）。

将装配好的 “螺栓 - 螺母” 组件固定在万能试验机的上下夹具中，调整夹具位置，保证载荷方向与螺纹轴线重合（通过水平仪校准，避免偏载）。

3. 加载与数据记录

设定加载参数：加载方式（匀速加载，如 1mm/min）、采样频率（如 10Hz，确保捕捉关键变形节点）。

启动试验机，缓慢加载，同时实时记录载荷（F） 和轴向变形量（ΔL），直至螺母失效（如螺纹滑丝、发出异响、载荷突然下降）。

重复实验：同一规格的螺母至少测试 3~5 个样品，取平均值以减少误差。

4. 失效后分析

卸载后观察螺母外观：记录失效位置（螺纹部分 / 本体）、失效形态（滑丝、断裂、裂纹分布）。

用显微镜观察螺纹表面：检查是否有磨损、粘着、塑性变形痕迹，分析失效机理（如螺纹牙剪切破坏、材料塑性流动导致的滑丝）。

五、数据分析与结果

力 - 变形曲线：以载荷（F）为纵轴、变形量（ΔL）为横轴绘图，曲线可分为弹性阶段（载荷与变形成正比）、屈服阶段（载荷不变但变形剧增）、强化阶段（载荷继续上升）和失效阶段（载荷骤降）。

关键指标：

屈服载荷（Fₛ）：曲线首次出现塑性变形时的载荷（对应材料屈服强度）。

极限承载载荷（Fₙₐₓ）：曲线的最大载荷（对应材料极限强度）。

失效变形量（ΔLₚ）：失效时的总变形量（反映螺母的塑性变形能力）。

失效模式分类：

螺纹滑丝：螺纹牙发生塑性变形，无法再传递载荷（最常见，因螺纹接触应力超过材料屈服强度）。

本体断裂：螺母侧面或端面发生断裂（多因材料强度不足或存在内部缺陷，如夹渣、裂纹）。

螺纹磨损：长期使用模拟实验中，螺纹表面因摩擦导致尺寸磨损，承载能力下降（动态加载实验中可能出现）。

六、影响实验结果的关键因素

加载条件：

加载速度：速度过快（如＞10mm/min）会导致材料 “来不及” 塑性变形，测得的强度偏高；速度过慢则可能因蠕变（尤其高温环境）导致强度偏低。需按标准设定（如 GB/T 3098.2 规定加载速度为 1~10mm/min）。

偏载：受力方向与轴线偏差＞1° 时，局部应力集中会使承载能力降低 10%~30%，需通过夹具校准避免。

样品特性：

材料强度：碳钢（如 8.8 级）比不锈钢（如 304）承载能力更高（8.8 级螺母抗拉强度≥800MPa，304 约 500MPa）。

螺纹精度：过盈配合（如 5g6g）比间隙配合（如 6h）受力更均匀，承载能力略高。

制造工艺：冷镦螺母（内部组织致密）比热锻螺母（可能有氧化皮）强度更高。

环境因素：

温度：高温（如＞100℃）会降低材料强度（如 304 不锈钢在 200℃时强度下降约 10%），导致承载能力降低。

腐蚀：锈蚀会使螺纹表面不平整，受力集中，承载能力下降（如锈蚀螺母可能比新螺母低 20%~30%）。

七、相关标准

实验需遵循国际或国内标准，确保结果的规范性和可比性，常见标准包括：

GB/T 3098.2：《紧固件机械性能 第 2 部分：螺母》（规定了螺母的拉伸试验方法、合格判定标准）。

ISO 898-2：《螺栓、螺钉和螺柱的机械性能 第 2 部分：螺母》（国际标准，与 GB/T 3098.2 基本一致）。

ASTM A563：《碳素钢螺母的标准规范》（美国标准，明确了螺母的力学性能测试要求）。

总结

六角螺母承载实验通过科学的测试流程，量化其力学性能，为机械设计中的载荷匹配、质量检测中的合格判定及材料工艺优化提供关键数据。实验中需严格控制加载条件、样品特性及环境因素，并遵循相关标准，以确保结果的准确性和可靠性。