紧固件材料与紧固件冲击试验

紧固件材料与紧固件冲击试验张先鸣•1、概述•2、材料与韧性关系•2、1材料与冲击韧度的关系•2、2组织对冲击韧度的影响•2、3热处理对冲击韧度的影响•2、4断裂韧性与冲击韧度的联系•3、螺栓试样冲击试验•3.1冲击试验通则•3.2冲击试验适用范围•3.3机械加工试样•3.4技术要求•4、结束语1、概述•车辆、机械装备的技术进步正向更安全、更舒适、更经济、更环保的方向发展。迄今，紧固件材料研发与制造技术有待于进一步完善和发展，而紧固件热处理后的抗拉强度要求＞700～1300Mpa，屈服强度＞550～1150Mpa，断后伸长率8%～15%，强塑积一般应大于104Mpa%,具有良好的综合力学性能。作为连接、紧固、密封作用的紧固件，技术发展有赖于，一方面开发应用更高强韧性的新材料，以保证机械连接具有更高的耐久性、可靠性；另一方面，通过材料强韧化的提高，提升设计应力，实现产品零部件的轻量化。•对于8.8级～12.9级高强度螺栓必须进行调质热处理。调质处理后钢的显微组织为回火索氏体，其中渗碳体呈颗粒状均匀分布。为保证紧固件表面足够深度螺纹截面能够被淬硬，从而得到较高的强度、塑性及韧性，要求钢材应具有足够的淬透性，在钢中添加适量的Cr、Mn、Mo、Ni、V、B等合金元素，可明显提高钢的淬透性和强度。钢中合金元素含量越高，其淬透性及强度也越来越高，但相应的生产成本也明显增加。•高强度螺栓大多采用镦锻成型工艺，分温锻、冷镦和车削加工等，涉及品种多、批量大，为了大幅度降低紧固件的能耗，目前以及未来采取的主要措施有以下几种。免退火冷镦钢或非调质钢的应用、增加碳硼钢的应用范围等。2、材料与韧性关系•高强度螺栓、螺钉和螺柱的检测依据为GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》标准，产品出厂基本上都应符合新标准中的验收试验项目。但从目前的生产实践和使用来看还不完善。•当前，机械构件中的脆性破坏是高强度螺栓、螺钉和螺柱失效的重要方式之一。它是在紧固件受载过程中，在没有产生明显宏观塑性变形的情况下，突然发生的一种破坏。由于事先没有明显的迹象，所以脆性破坏的危险性很大。•冲击韧度是用来表征材料的韧性大小，取决于其化学成分和显微组织外，与材料的冶金质量等有关；还与环境温度及缺口的状况密切相关。•常见防止螺栓发生脆性破坏的传统方法。①要求选用的材料具有一定的塑性指标（断后伸长率A/%和断面收缩率Z/%），且具有一定的冲击韧度（冲击吸收能量KV/J、KU/J）值；②采用转变温度的方法，对材料的韧脆转变温度提出一定的要求。确定脆性断口转变温度，常用的是FATT表示。2、1材料与冲击韧度的关系•化学成分中杂质元素的多少是影响冲击韧度因素之一。对钢材P和S控制要求较高，两者相加应≤0.025%；由于P对材料有脆化效应，会在晶界处存在析出物，致使晶界弱化从而造成冲击韧度下降。碳含量对冲击韧度的影响很大。低碳合金钢与中碳合金钢处理成相同强度水平时，前者的断裂韧性明显比后者高。20MnTiB和40CrNiMo两种钢处理成10.9级螺栓时，强度相近时断裂韧性分别为113MN/m3/2和78MN/m3/2，而冲击韧度（冲击吸收能量KV、KU）值，前者比后者低20～45J。•Ni是最有效的韧化元素。它不但可以改善钢的断裂韧性，还能有效地降低钢的韧脆转变温度。因此，Ni是低温用钢中重要的合金元素；Mo的作用与Ni类似；Cr对冲击韧度的影响较小；加入少量的B，能改善低温回火时的断裂韧性。•螺栓工作环境中常带有某种腐蚀性介质等，这些特点正是使螺栓产生延迟破坏的外在条件之一。为了改善这类钢材的断裂韧性，合金化的原则仍是着眼于改善钢的淬透性，提高组织稳定性，细化晶粒、细化碳化物；并使其均匀分布，防止回火脆性以及降低韧脆转变温度。•在以35CrMo钢为代表的低合金钢中，加入适量的V能细化晶粒，改善断裂韧性。35CrMoV钢是适用于12.9级的高强度螺栓的材料。2、2组织对冲击韧度的影响•钢中马氏体的组织形态对冲击韧度有重要的影响，马氏体的组织形态有两种：含有大量位错的板条状马氏体和含有孪晶的片状马氏体，孪晶的出现使滑移系减少为原来的1/4，孪晶又能感生微裂纹，因此，片状马氏体的断裂韧性较板条状马氏体的断裂韧性低。如果能通过合金化（如降低碳含量等）、热处理手段降低钢中孪晶马氏体量而增加位错马氏体量，则可提高钢的强韧性。•无论是在热处理中的正火、退火、淬火和回火工序，奥氏体实际晶粒小的钢，最终性能均优于奥氏体实际晶粒大的钢。•根据生产实践，钢的奥氏体实际晶粒度粗于1～4级，对螺栓冲击韧度值呈逐渐下降趋势，严重影响螺栓力学性能指标。随着晶粒度级别的提高（晶粒度越细小），低温冲击吸收能量KV和KU就越高。这是由于晶粒越细，晶粒越多，晶界就越多，裂纹扩展阻力就越大，冲击吸收能量值就越高。•晶粒尺寸对材料屈服强度的影响已有定量的表达式。晶粒越细，屈强比越高，而且裂纹扩展时所消耗的能量也越多。细晶强化是使材料强度和韧性同时提高的有效手段；对高强度螺栓原材料的实际晶粒度应控制在6～8级，最佳在7～8级。2、3热处理对冲击韧度的影响•在不牺牲力学性能的情况下，适当降低淬火温度在一定程度上能细化晶粒，增加晶界面积，减少P的偏析，有效遏制P对材料的脆化效应，从而改善材料的冲击韧度和降低钢的低温脆性转变温度（FATT）。生产实践表明，淬火时提高冷却速度也可降低脆性转变温度，从而提高冲击韧度。淬火温度对屈服极限和抗拉强度的影响不大。但在临界区淬火（即加热到Ac1～Ac3两相区内淬火）也可以提高低温韧性和抑制回火脆性。•回火温度的影响，总的趋势是随着回火温度的升高，冲击韧度值增大，而强度降低。首先，要避开第一类回火脆性区间（250～400℃）回火；其此，对低合金钢在450～600℃回火时通过快冷，减少第二类回火脆性的影响。有些回火材料在某个回火温度范围内其断裂韧性值降低。2、4断裂韧性与冲击韧度的联系•断裂韧性KIC和缺口冲击韧度（冲击吸收能量KV、KU）都是材料的韧性指标。因此，很多提高断裂韧性有效的措施，均能提高冲击韧度。但是两者之间也是有明显的区别。因为一个是裂纹；一个是缺口，两者的应力集中程度不同，两者即有联系，又有区别的两个力学性能指标。3、螺栓试样冲击试验•3.1冲击试验通则•根据GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》标准冲击试验用于检验在规定的低温条件下，紧固件材料的韧性。如在产品标准或供需双方协商中有要求时，方可实施试验。•试验仪器与装备应符合GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。材料的V型缺口试样和U型缺口试样的冲击能量分别表示为KV和KU，并用下标数字2表示摆锤刀刃半径，如KV2，其单位为J（焦耳）。冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上读出。而用试样缺口处的截面积S去除KV或KU，可得到材料的冲击韧度指标，用符号aK=K/S，其单位为KJ/m2或J/cm2。与k相比，aK没有明确的物理意义，只是一种数学表达方法。所以，现在大多数冲击吸收能量K作为材料韧性的判据。3.2冲击试验适用范围•螺栓、螺钉和螺柱制取的机械加工试样，规格d≥16mm；螺栓、螺钉的总长（包括头部）≥55mm；螺柱的总长，It≥55mm。适用8.8级及以上高强度螺栓。3.3机械加工试样•应从尺寸等检验合格的螺栓、螺钉和螺柱成品上制取试样。•机械加工试样应符合GB/T229-2007的规定。试样应沿螺杆部纵向，尽量靠近螺栓表面，并尽可能远离螺纹部分。另外，试样无刻槽的一边应靠近螺栓的表面。标准规定冲击试样的尺寸为55mm×10mm×10mm，在试样中间有V型或U型缺口，并使其对称面垂直于试样纵向轴线，保证根部处没有影响吸收能量的加工痕迹。如试样料不够制备标准尺寸试样时，可使用宽度7.5mm、5mm或2.5mm的小试样。3.4技术要求•对于高强度螺栓、螺钉和螺柱机械加工试样应置于（零下）-20℃的条件下，用2mm摆锤刀刃半径，按GB/T229-2007规定进行试验,对于8.8级～10.9级高强度螺栓试样在（零下）-20℃温度下的吸收能量应≥27J；而12.9级高强度螺栓试样在（零下）-20℃温度下的吸收能量应≥20J。•读取每个试样的冲击吸收能量，应至少估读到0.5J或0.5标度单位（或两者之间取最小值）。试验结果至少应保留两位有效数字，修约方法按GB/T8170-2008《数值修约规则与极限数值的表示和判定》执行。•夏比冲击试验因其试样加工简便，试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感而成为评价高强度螺栓、螺钉和螺柱冲击韧性应用最广泛的一种常用试验方法。主要用途如下：•①评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性。•②检查和控制材料的冶金质量和热加工质量。•③评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性。4、结束语•近年来，我国在高强度螺栓钢的开发与应用方面取得了较大的进展。一定的高强度螺栓材料在物理、化学特性等方面都存在的显著差异，难以完全照搬国外的设计理念和原有的制造技术。高强度螺栓、螺钉和螺柱的制造是一个涉及到技术、经济、安全、环境等诸多方面的复杂系统工程，需要解决从材料到制造，直至使用、维修及安装的全过程中所出现的各种问题，也就是说还离不开一系列相应的技术支持，包括关键的设计技术、材料试验与检测技术、相关的辅助制造技术等任重道远。•参考文献•[1]屠海令,干勇.金属材理化测试全书〔M〕.北京：化学工业出版社，2007.•[2]鄢国强.材料质量检测与分析技术〔M〕.北京：中国计量出版社，2005.•[3]国家质量监督检验检疫总局.GB/T229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法〔S〕.北京：中国标准出版社，2007.•[4]国家质量监督检验检疫总局.GB/T3098.1-2010紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱〔S〕.北京：中国标准出版社，2011.•[5]国家质量监督检验检疫总局.GB/T8170-2008数值修约规则与极限数值的表示和判定〔S〕.北京：中国标准出版社，2008.谢谢！感谢华人螺丝网主办的紧固件技术交流会！