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1、概述

       在汽車車輛等機(jī)械裝備大型化的發(fā)展過(guò)程中，開發(fā)輕量化、重載型的成套設(shè)備是發(fā)展方向。迄今，材料研發(fā)與制造技術(shù)有待于進(jìn)一步完善和發(fā)展，而螺栓熱處理后的抗拉強(qiáng)度要求＞700～1300Mpa，屈服強(qiáng)度＞550～1150Mpa，斷后伸長(zhǎng)率8%～15%，強(qiáng)塑積一般應(yīng)大于104 Mpa%，具有良好的綜合力學(xué)性能。技術(shù)發(fā)展有賴于開發(fā)應(yīng)用更高強(qiáng)韌性的新材料，以保證機(jī)械連接具有更高的耐久性、可靠性；另一方面，通過(guò)材料強(qiáng)韌化的提高，提升設(shè)計(jì)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成套設(shè)備的輕量化。

       對(duì)于8.8級(jí)～12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。調(diào)質(zhì)處理后鋼的顯微組織為回火索氏體，其中滲碳體呈顆粒狀均勻分布。為保證緊固件表面足夠深度螺紋截面能夠被淬硬，從而得到較高的強(qiáng)度、塑韌性，要求鋼材應(yīng)具有足夠的淬透性，在鋼中添加適量的Cr、Mn、Mo、Ni、V、B等合金元素，可明顯提高鋼的淬透性和強(qiáng)度。鋼中合金元素含量越高，其淬透性及強(qiáng)度也越來(lái)越高，但相應(yīng)的生產(chǎn)成本也明顯增加。

       高強(qiáng)度螺栓大多采用鐓鍛成型工藝，分溫鍛、冷鐓和車削加工等，涉及品種多、批量大，為了大幅度降低緊固件的能耗，目前以及未來(lái)采取的主工藝措施有，免退火冷鐓鋼或非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用、增加碳硼鋼的應(yīng)用范圍等等。

2、材料與韌性關(guān)系

　　高強(qiáng)度螺栓、螺釘和螺柱的檢測(cè)依據(jù)為GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品出廠基本上都應(yīng)符合新標(biāo)準(zhǔn)中的驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目。但從目前的生產(chǎn)實(shí)踐和使用來(lái)看還夠不完善。

　　當(dāng)前，高強(qiáng)度螺栓、螺釘和螺柱脆性破壞是機(jī)械裝備早期失效的重要方式之一。它是在緊固件受載過(guò)程中，在沒有產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的情況下，突然發(fā)生的一種破壞。由于事先沒有明顯的跡象，所以脆性破壞的危險(xiǎn)性極大。

　　沖擊韌度是用來(lái)表征材料的韌性大小，取決于其化學(xué)成分和顯微組織外，與材料的冶金質(zhì)量等有關(guān)；還與環(huán)境溫度及缺口的狀況密切相關(guān)。

　　常見防止螺栓發(fā)生脆性破壞的傳統(tǒng)方法。①要求選用的材料具有一定的塑性指標(biāo)（斷后伸長(zhǎng)率A/%和斷面收縮率Z/%），且具有一定的沖擊韌度（沖擊吸收能量KV/J、KU/J）值；②采用轉(zhuǎn)變溫度的方法，對(duì)材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度提出一定的要求。確定脆性斷口轉(zhuǎn)變溫度，常用的是FATTn表示。以上兩種方法都還是經(jīng)驗(yàn)性的，它們無(wú)法找到實(shí)驗(yàn)室中的轉(zhuǎn)變溫度與實(shí)際緊固件的轉(zhuǎn)變溫度之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系。

2.1材料與沖擊韌度的關(guān)系

　　碳含量對(duì)沖擊韌度的影響很大。低碳合金鋼與中碳合金鋼處理成相同強(qiáng)度水平時(shí)，前者的斷裂韌性明顯比后者高。如常用的20MnTiB和40CrNiMo兩種鋼處理成10.9級(jí)螺栓時(shí)，強(qiáng)度相近時(shí)斷裂韌性分別為113和78MN/m2，而沖擊韌度（沖擊吸收能量KV、KU）值，前者比后者低20～45J。

　　Ni是最有效的韌化元素。它不但可以改善鋼的斷裂韌性，還能有效地降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度。因此，Ni是低溫用鋼中重要的合金元素；Mo的作用與Ni類似；Cr對(duì)沖擊韌度的影響較??；加入少量的B，能改善低溫回火時(shí)的斷裂韌性；Al是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的Al ，可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌度。

　　螺栓工作環(huán)境中常帶有某種腐蝕性介質(zhì)等，這些特點(diǎn)正是使螺栓產(chǎn)生氫致延遲破壞的外在條件之一。為了改善這類鋼材的斷裂韌性，合金化的原則仍是著眼于改善鋼的淬透性，提高組織穩(wěn)定性，細(xì)化晶粒、細(xì)化碳化物；并使其均勻分布，防止回火脆性以及降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。

　　在以35CrMoA鋼為代表的低合金鋼中，加入適量的V能細(xì)化晶粒，改善斷裂韌性。35CrMoV鋼是適用于12.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓的材料。

2.2組織對(duì)沖擊韌度的影響

　　鋼中馬氏體的組織形態(tài)對(duì)沖擊韌度有重要的影響，馬氏體的組織形態(tài)有兩種：含有大量位錯(cuò)的板條狀馬氏體和含有孿晶的片狀馬氏體，孿晶的出現(xiàn)使滑移系減少為原來(lái)的1/4，孿晶又能感生微裂紋，因此，片狀馬氏體的斷裂韌性較板條狀馬氏體的斷裂韌性低。如果能通過(guò)合金化（如降低碳合量等）、熱處理手段降低鋼中孿晶馬氏體量而增加位錯(cuò)馬氏體量，則可提高鋼的強(qiáng)韌性。

　　無(wú)論是在熱處理中的正火、退火、淬火和回火工序，奧氏體實(shí)際晶粒小的鋼，最終性能均優(yōu)于奧氏體實(shí)際晶粒大的鋼。

　　根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，鋼的奧氏體實(shí)際晶粒度粗于1～4級(jí)，對(duì)螺栓沖擊韌度值呈逐漸下降趨勢(shì)，嚴(yán)重影響螺栓力學(xué)性能指標(biāo)。隨著晶粒度級(jí)別的提高（晶粒度越細(xì)?。?，低溫沖擊吸收能量KV和KU就越高。這是由于晶粒越細(xì)，晶粒越多，晶界就越多，裂紋擴(kuò)展阻力就越大，沖擊吸收能量值就越高。

　　晶粒尺寸對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響已有定量的表達(dá)式。晶粒越細(xì)，屈強(qiáng)比越高，而且裂紋擴(kuò)展時(shí)所消耗的能量也越多。細(xì)晶強(qiáng)化是使材料強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高的有效手段。為此，對(duì)高強(qiáng)度螺栓原材料的實(shí)際晶粒度應(yīng)控制在6～8級(jí)，最佳在7～8級(jí)。

2.3熱處理對(duì)沖擊韌度的影響

　　在不犧牲力學(xué)性能的情況下，適當(dāng)降低淬火溫度在一定程度上能細(xì)化晶粒，增加晶界面積，減少P的偏析，有效遏制P對(duì)材料的脆化效應(yīng)，從而改善材料的沖擊韌度和降低鋼的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度（FATT）。生產(chǎn)實(shí)踐表明，淬火時(shí)提高冷卻速度也可降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，從而提高沖擊韌度。

　　淬火溫度對(duì)屈服極限和抗拉強(qiáng)度的影響不大。在臨界區(qū)淬火（即加熱到Ac1～Ac3兩相區(qū)內(nèi)淬火）也可以提高低溫韌性和抑制回火脆性。但對(duì)于風(fēng)電高強(qiáng)螺栓一般不適用此工藝。

回火溫度的影響，總的趨勢(shì)是隨著回火溫度的升高，沖擊韌度值增大，而強(qiáng)度降低。首先，要避開第一類回火脆性區(qū)間（250～400℃）回火；其此，對(duì)低合金鋼在450～600℃回火時(shí)通過(guò)快冷，減少第二類回火脆性的影響。有些回火材料在某個(gè)回火溫度范圍內(nèi)其斷裂韌性值降低。

2.4斷裂韌性與沖擊韌度的聯(lián)系

斷裂韌性KIC和缺口沖擊韌度(沖擊吸收能量KV、KU）都是材料的韌性指標(biāo)。因此，很多提高斷裂韌性有效的措施，均能提高沖擊韌度。但是兩者之間也是有明顯的區(qū)別。因?yàn)橐粋€(gè)是裂紋；一個(gè)是缺口，兩者的應(yīng)力集中程度不同，兩者即有聯(lián)系，又有區(qū)別的兩個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)。

3、螺栓試樣沖擊試驗(yàn)

3.1沖擊試驗(yàn)通則

　　根據(jù)GB/T3098.1-2010標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗(yàn)用于檢驗(yàn)在規(guī)定的低溫條件下，緊固件材料的韌性。如在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或供需雙方協(xié)商中有要求時(shí)，方可實(shí)施試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)儀器與裝備應(yīng)符合GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》。材料的V型缺口試樣和U型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KV和KU，并用下標(biāo)數(shù)字2表示擺錘刀刃半徑，如KV2，其單位為J（焦耳）。沖擊吸收能量的大小直接由試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上讀出。而用試樣缺口處的截面積S去除KV或KU，可得到材料的沖擊韌度指標(biāo)，用符號(hào)aK=K/S，其單位為KJ/m2或J/cm2。與k相比，aK沒有明確的物理意義，只是一種數(shù)學(xué)表達(dá)方法。所以，現(xiàn)在大多數(shù)沖擊吸收能量K作為材料韌性的判據(jù)。

3.2沖擊試驗(yàn)適用范圍

　　螺栓、螺釘和螺柱制取的機(jī)械加工試樣，規(guī)格d≥16mm；螺栓、螺釘?shù)目傞L(zhǎng)（包括頭部）≥55mm；螺柱的總長(zhǎng)，I t≥55mm。適用8.8級(jí)及以上高強(qiáng)度螺栓。

3.3機(jī)械加工試樣

　　應(yīng)從尺寸等檢驗(yàn)合格的螺栓、螺釘和螺柱成品上制取試樣。機(jī)械加工試樣應(yīng)符合GB/T229-2007的規(guī)定。試樣應(yīng)沿螺桿部縱向，盡量靠近螺栓表面，并盡可能遠(yuǎn)離螺紋部分。另外，試樣無(wú)刻槽的一邊應(yīng)靠近螺栓的表面。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沖擊試樣的尺寸為55mm×10mm×10mm，在試樣中間有V型或U型缺口，并使其對(duì)稱面垂直于試樣縱向軸線，保證根部處沒有影響沖擊吸收功的加工痕跡。如試樣料不夠制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣時(shí)，可使用寬度7.5mm、5mm或2.5mm的小試樣。

3.4技術(shù)要求

　　對(duì)于機(jī)械裝備或汽車車輛的高強(qiáng)度螺栓、螺釘和螺柱機(jī)械加工試樣應(yīng)置于（零下）-20℃的條件下，用2mm擺錘刀刃半徑，按GB/T229-2007規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于8.8級(jí)～10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓試樣在（零下）-20℃溫度下的沖擊吸收功應(yīng)≥27J；而12.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓試樣在（零下）-20℃溫度下的沖擊吸收功應(yīng)≥20J。

每試驗(yàn)的3個(gè)試樣中有1個(gè)允許偏差在標(biāo)準(zhǔn)值的80%，讀取每個(gè)試樣的沖擊吸收功，應(yīng)至少估讀到0.5J或0.5標(biāo)度單位（或兩者之間取最小值）。試驗(yàn)結(jié)果至少應(yīng)保留兩位有效數(shù)字，修約方法按GB/T8170-2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定》執(zhí)行。

4、結(jié)束語(yǔ)

　　夏比沖擊試驗(yàn)因其試樣加工簡(jiǎn)便，試驗(yàn)時(shí)間短，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷等敏感而成為評(píng)價(jià)風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓、螺釘和螺柱沖擊韌性應(yīng)用最廣泛的一種常用試驗(yàn)方法。主要用途如下：①評(píng)價(jià)材料對(duì)大能量一次沖擊載荷下破壞的缺口敏感性；②檢查和控制材料的冶金質(zhì)量和熱加工質(zhì)量；③評(píng)定材料在高、低溫條件下的韌脆轉(zhuǎn)變特性。

      近年來(lái)，我國(guó)在機(jī)械裝備的開發(fā)與應(yīng)用方面取得了較大的進(jìn)展。鑒于我國(guó)的材料在物理、化學(xué)特性等方面都存在的顯著差異，難以完全照搬國(guó)外的設(shè)計(jì)理念和傳統(tǒng)的制造技術(shù)。高強(qiáng)度螺栓、螺釘和螺柱的制造是一個(gè)涉及到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)境等諸多方面的復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要解決從材料到制造，直至使用、維修及安裝的全過(guò)程中所出現(xiàn)的各種問(wèn)題，也就是說(shuō)還離不開一系列相應(yīng)的技術(shù)支持，包括關(guān)鍵的設(shè)計(jì)技術(shù)、材料試驗(yàn)與檢測(cè)技術(shù)、相關(guān)的輔助制造技術(shù)等任重道遠(yuǎn)。

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