緊固件材料與緊固件沖擊試驗

1、 緊固件材料與緊固件沖擊試驗 1、概述2、材料與韌性關(guān)系2、1材料與沖擊韌度的關(guān)系2、2組織對沖擊韌度的影響2、3熱處理對沖擊韌度的影響2、4斷裂韌性與沖擊韌度的聯(lián)系3、螺栓試樣沖擊試驗3.1沖擊試驗通則3.2沖擊試驗適用范圍3.3機械加工試樣3.4技術(shù)要求4、結(jié)束語1、概述 車輛、機械裝備的技術(shù)進步正向更安全、更舒適、更經(jīng)濟、更環(huán)保的方向發(fā)展。迄今，緊固件材料研發(fā)與制造技術(shù)有待于進一步完善和發(fā)展，而緊固件熱處理后的抗拉強度要求7001300Mpa，屈服強度5501150Mpa，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。作為連接、緊固、密封作用的緊固件，技

2、術(shù)發(fā)展有賴于，一方面開發(fā)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(shè)計應力，實現(xiàn)產(chǎn)品零部件的輕量化。 對于8.8級12.9級高強度螺栓必須進行調(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，從而得到較高的強度、塑性及韌性，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(chǎn)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，

3、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要措施有以下幾種。免退火冷鐓鋼或非調(diào)質(zhì)鋼的應用、增加碳硼鋼的應用范圍等。2、材料與韌性關(guān)系 高強度螺栓、螺釘和螺柱的檢測依據(jù)為GB/T3098.1-2010緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱標準，產(chǎn)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(chǎn)實踐和使用來看還不完善。當前，機械構(gòu)件中的脆性破壞是高強度螺栓、螺釘和螺柱失效的重要方式之一。它是在緊固件受載過程中，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性很大。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

4、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。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；采用轉(zhuǎn)變溫度的方法，對材料的韌脆轉(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FATT 表示。2、1材料與沖擊韌度的關(guān)系化學成分中雜質(zhì)元素的多少是影響沖擊韌度因素之一。對鋼材P和S控制要求較高，兩者相加應0.025%；由于P對材料有脆化效應，會在晶界處存在析出物，致使晶界弱化從而造成沖擊韌度下降。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

5、強度水平時，前者的斷裂韌性明顯比后者高。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113MN/m3/2和78MN/m3/2，而沖擊韌度（沖擊吸收能量KV、KU）值，前者比后者低2045J。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對沖擊韌度的影響較??；加入少量的B，能改善低溫回火時的斷裂韌性。螺栓工作環(huán)境中常帶有某種腐蝕性介質(zhì)等，這些特點正是使螺栓產(chǎn)生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

6、織穩(wěn)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(zhuǎn)變溫度。在以35CrMo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(tài)對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（如降低碳含量等）、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

7、火、淬火和回火工序，奧氏體實際晶粒小的鋼，最終性能均優(yōu)于奧氏體實際晶粒大的鋼。根據(jù)生產(chǎn)實踐，鋼的奧氏體實際晶粒度粗于14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?。?，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；對高強度螺栓原材料的實際晶粒度應控制在68級，最佳在78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

8、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(zhuǎn)變溫度（FATT）。生產(chǎn)實踐表明，淬火時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。淬火溫度對屈服極限和抗拉強度的影響不大。但在臨界區(qū)淬火（即加熱到Ac1Ac3兩相區(qū)內(nèi)淬火）也可以提高低溫韌性和抑制回火脆性。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(qū)間（250400）回火；其此，對低合金鋼在450600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(nèi)其斷裂韌性值降低。

9、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。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(lián)系，又有區(qū)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(jù)GB/T3098.1-2010 緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱標準沖擊試驗用于檢驗在規(guī)定的低溫條件下，緊固件材料的韌性。如在產(chǎn)品標準或供需雙方協(xié)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

10、試樣的沖擊能量分別表示為KV和KU，并用下標數(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(shù)學表達方法。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沖擊試驗適用范圍螺栓、螺釘和螺柱制取的機械加工試樣，規(guī)格d16mm；螺栓、螺釘?shù)目傞L（包括頭部）55mm；螺柱的總長，I t55mm。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

11、制取試樣。機械加工試樣應符合GB/T229-2007的規(guī)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(guī)定沖擊試樣的尺寸為55mm10mm10mm，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吸收能量的加工痕跡。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(shù)要求 對于高強度螺栓、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(guī)定進行試驗, 對于8.8級10.9級高強度螺栓試樣在（零下）-20溫度下的吸

12、收能量應27J；而12.9級高強度螺栓試樣在（零下）-20溫度下的吸收能量應20J。讀取每個試樣的沖擊吸收能量，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(jié)果至少應保留兩位有效數(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。夏比沖擊試驗因其試樣加工簡便，試驗時間短，試驗數(shù)據(jù)對材料組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷等敏感而成為評價高強度螺栓、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： 評價材料對大能量一次沖擊載荷下破壞的缺口敏感性。 檢查和控制材料的冶金質(zhì)量和熱加工質(zhì)量。 評定材料在高、低溫條件下的韌脆轉(zhuǎn)變特性。4、結(jié)束語 近年來，我國在高強度螺栓鋼的開發(fā)與應用方面取得了較大的進展