您當前的位置：檢測資訊 > 實驗管理
嘉峪檢測網 2015-12-24 00:31
1、概述
在汽車車輛等機械裝備大型化的發展過程中，開發輕量化、重載型的成套設備是發展方向。迄今，材料研發與制造技術有待于進一步完善和發展，而螺栓熱處理后的抗拉強度要求＞700～1300Mpa，屈服強度＞550～1150Mpa，斷后伸長率8%～15%，強塑積一般應大于104 Mpa%，具有良好的綜合力學性能。技術發展有賴于開發應用更高強韌性的新材料，以保證機械連接具有更高的耐久性、可靠性；另一方面，通過材料強韌化的提高，提升設計應力，實現產品成套設備的輕量化。
對于8.8級～12.9級高強度螺栓必須進行調質熱處理。調質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，從而得到較高的強度、塑韌性，要求鋼材應具有足夠的淬透性，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度。鋼中合金元素含量越高，其淬透性及強度也越來越高，但相應的生產成本也明顯增加。
高強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，目前以及未來采取的主工藝措施有，免退火冷鐓鋼或非調質鋼的應用、增加碳硼鋼的應用范圍等等。
2、材料與韌性關系
高強度螺栓、螺釘和螺柱的檢測依據為GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標準，產品出廠基本上都應符合新標準中的驗收試驗項目。但從目前的生產實踐和使用來看還夠不完善。
當前，高強度螺栓、螺釘和螺柱脆性破壞是機械裝備早期失效的重要方式之一。它是在緊固件受載過程中，在沒有產生明顯宏觀塑性變形的情況下，突然發生的一種破壞。由于事先沒有明顯的跡象，所以脆性破壞的危險性極大。
沖擊韌度是用來表征材料的韌性大小，取決于其化學成分和顯微組織外，與材料的冶金質量等有關；還與環境溫度及缺口的狀況密切相關。
常見防止螺栓發生脆性破壞的傳統方法。①要求選用的材料具有一定的塑性指標（斷后伸長率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采用轉變溫度的方法，對材料的韌脆轉變溫度提出一定的要求。確定脆性斷口轉變溫度，常用的是FATTn表示。以上兩種方法都還是經驗性的，它們無法找到實驗室中的轉變溫度與實際緊固件的轉變溫度之間的轉移關系。
2.1材料與沖擊韌度的關系
碳含量對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度水平時，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級螺栓時，強度相近時斷裂韌性分別為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對沖擊韌度的影響較小；加入少量的B，能改善低溫回火時的斷裂韌性；Al是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的Al ，可細化晶粒，提高沖擊韌度。
螺栓工作環境中常帶有某種腐蝕性介質等，這些特點正是使螺栓產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，提高組織穩定性，細化晶粒、細化碳化物；并使其均勻分布，防止回火脆性以及降低韌脆轉變溫度。
在以35CrMoA鋼為代表的低合金鋼中，加入適量的V能細化晶粒，改善斷裂韌性。35CrMoV鋼是適用于12.9級的高強度螺栓的材料。
2.2組織對沖擊韌度的影響
鋼中馬氏體的組織形態對沖擊韌度有重要的影響，馬氏體的組織形態有兩種：含有大量位錯的板條狀馬氏體和含有孿晶的片狀馬氏體，孿晶的出現使滑移系減少為原來的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馬氏體量，則可提高鋼的強韌性。
無論是在熱處理中的正火、退火、淬火和回火工序，奧氏體實際晶粒小的鋼，最終性能均優于奧氏體實際晶粒大的鋼。
根據生產實踐，鋼的奧氏體實際晶粒度粗于1～4級，對螺栓沖擊韌度值呈逐漸下降趨勢，嚴重影響螺栓力學性能指標。隨著晶粒度級別的提高（晶粒度越細小），低溫沖擊吸收能量KV和KU就越高。這是由于晶粒越細，晶粒越多，晶界就越多，裂紋擴展阻力就越大，沖擊吸收能量值就越高。
晶粒尺寸對材料屈服強度的影響已有定量的表達式。晶粒越細，屈強比越高，而且裂紋擴展時所消耗的能量也越多。細晶強化是使材料強度和韌性同時提高的有效手段。為此，對高強度螺栓原材料的實際晶粒度應控制在6～8級，最佳在7～8級。
2.3熱處理對沖擊韌度的影響
在不犧牲力學性能的情況下，適當降低淬火溫度在一定程度上能細化晶粒，增加晶界面積，減少P的偏析，有效遏制P對材料的脆化效應，從而改善材料的沖擊韌度和降低鋼的低溫脆性轉變溫度（FATT）。生產實踐表明，淬火時提高冷卻速度也可降低脆性轉變溫度，從而提高沖擊韌度。
淬火溫度對屈服極限和抗拉強度的影響不大。在臨界區淬火（即加熱到Ac1～Ac3兩相區內淬火）也可以提高低溫韌性和抑制回火脆性。但對于風電高強螺栓一般不適用此工藝。
回火溫度的影響，總的趨勢是隨著回火溫度的升高，沖擊韌度值增大，而強度降低。首先，要避開第一類回火脆性區間（250～400℃）回火；其此，對低合金鋼在450～600℃回火時通過快冷，減少第二類回火脆性的影響。有些回火材料在某個回火溫度范圍內其斷裂韌性值降低。
2.4斷裂韌性與沖擊韌度的聯系
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。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別。因為一個是裂紋；一個是缺口，兩者的應力集中程度不同，兩者即有聯系，又有區別的兩個力學性能指標。
3、螺栓試樣沖擊試驗
3.1沖擊試驗通則
根據GB/T3098.1-2010標準沖擊試驗用于檢驗在規定的低溫條件下，緊固件材料的韌性。如在產品標準或供需雙方協商中有要求時，方可實施試驗。
試驗儀器與裝備應符合GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》。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，并用下標數字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機的刻度盤上讀出。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，用符號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，只是一種數學表達方法。所以，現在大多數沖擊吸收能量K作為材料韌性的判據。
3.2沖擊試驗適用范圍
螺栓、螺釘和螺柱制取的機械加工試樣，規格d≥16mm；螺栓、螺釘的總長（包括頭部）≥55mm；螺柱的總長，I t≥55mm。適用8.8級及以上高強度螺栓。
3.3機械加工試樣
應從尺寸等檢驗合格的螺栓、螺釘和螺柱成品上制取試樣。機械加工試樣應符合GB/T229-2007的規定。試樣應沿螺桿部縱向，盡量靠近螺栓表面，并盡可能遠離螺紋部分。另外，試樣無刻槽的一邊應靠近螺栓的表面。標準規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準尺寸試樣時，可使用寬度7.5mm、5mm或2.5mm的小試樣。
3.4技術要求
對于機械裝備或汽車車輛的高強度螺栓、螺釘和螺柱機械加工試樣應置于（零下）-20℃的條件下，用2mm擺錘刀刃半徑，按GB/T229-2007規定進行試驗。對于8.8級～10.9級高強度螺栓試樣在（零下）-20℃溫度下的沖擊吸收功應≥27J；而12.9級高強度螺栓試樣在（零下）-20℃溫度下的沖擊吸收功應≥20J。
每試驗的3個試樣中有1個允許偏差在標準值的80%，讀取每個試樣的沖擊吸收功，應至少估讀到0.5J或0.5標度單位（或兩者之間取最小值）。試驗結果至少應保留兩位有效數字，修約方法按GB/T8170-2008《數值修約規則與極限數值的表示和判定》執行。
4、結束語
夏比沖擊試驗因其試樣加工簡便，試驗時間短，試驗數據對材料組織結構、冶金缺陷等敏感而成為評價風電機組高強度螺栓、螺釘和螺柱沖擊韌性應用最廣泛的一種常用試驗方法。主要用途如下：①評價材料對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量和熱加工質量；③評定材料在高、低溫條件下的韌脆轉變特性。
近年來，我國在機械裝備的開發與應用方面取得了較大的進展。鑒于我國的材料在物理、化學特性等方面都存在的顯著差異，難以完全照搬國外的設計理念和傳統的制造技術。高強度螺栓、螺釘和螺柱的制造是一個涉及到技術、經濟、安全、環境等諸多方面的復雜系統工程，需要解決從材料到制造，直至使用、維修及安裝的全過程中所出現的各種問題，也就是說還離不開一系列相應的技術支持，包括關鍵的設計技術、材料試驗與檢測技術、相關的輔助制造技術等任重道遠。
參考文獻
[1] 屠海令,干勇. 金屬材理化測試全書〔M〕.北京：化學工業出版社，2007.
[2] 鄢國強. 材料質量檢測與分析技術〔M〕.北京：中國計量出版社，2005.
[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法〔S〕.北京：中國標準出版社，2007.
[4] 國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 3098.1-2010緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱〔S〕.北京：中國標準出版社，2011.
[5] 國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 8170-2008數值修約規則與極限數值的表示和判定〔S〕.北京：中國標準出版社，2008.
來源：AnyTesting
