米制紧固件机械性能

第四章米制紧固件机械性能国际标准化组织早在上世纪70年代即着手螺栓、螺母及紧定螺钉“机械性能标准”的研究制定工作，现行标准有：ISO898系列（碳钢和合金钢制造的螺栓、螺钉、螺柱、螺母和紧定螺钉机械性能）、ISO3506系列（不绣钢制造的螺栓、螺钉、螺柱、螺母、紧定螺钉和自攻螺钉机械性能）和ISO8839（有色金属制造的螺栓、螺钉、螺柱和螺母）等紧固件机械性能标准（详见附录一）。这些标准覆盖面较广，并能满足大部分米制紧固件产品的性能需要，因而得到各国的广泛采用。4.1碳钢和合金钢螺栓、螺钉和螺柱的机械性能4.1.1适用范围ISO898-1规定了由碳钢或合金钢制造的螺栓、螺钉和螺柱的机械性能。适用的螺纹规格范围为：粗牙螺纹M1.6～M39；细牙螺纹M8×1～M39×3。规定试验环境温度为10℃～35℃，即本标准给出的机械性能，是在室温条件下试验测出的，而在较高或较低温度下试验测得的机械和物理性能会有所变化。在标准的附录A中列出了+20℃、+100℃、+200℃、+250℃和+300℃的条件下，从经验得到的屈服点或规定非比例伸长应力降低情况的近似情况的近似表述，但这些数据不能作为试验技术要求，即不应作为验收检查的依据。ISO898-1指出某些头部几何尺寸造成头部剪切面积小于螺纹应力截面积的产品，可能达不到本标准关于抗拉或扭矩的要求，例如：沉头、半沉头和圆柱头，对于这部分产品，标准明确规定不进行楔负载试验。ISO898-1明确规定了本标准未规定剪切应力和耐疲劳性。如有使用要求，应由供需双方协议有关性能指标与试验方法。ISO898-1规定：螺纹规格大于M39的外螺纹紧固件，只要能符合性能等级的所有要求，则可以使用本标准的标记制度。ISO898-1还规定“本标准不适用于紧定螺钉及类似的不受拉力的螺纹紧固件”。4.1.2机械性能等级的标记制度ISO898-1对螺栓、螺钉和螺柱的机械性能分为10个等级，并分别标记为3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9和12.9。机械性能等级标记用两组数字表示，两组数字中间用符号“.”隔开。标记中第一部分数字（“.”前）表示这一等级的公称抗拉强度的百分之一，第二部分数字（“.”后）代表这一性能等级的“屈强比”的10倍。螺栓机械性能主要取决于材料、加工工艺和热处理状态等。4.1.3材料ISO898-1规定了螺栓、螺钉和螺柱各性能等级的钢种和最低回火温度，见表13。表13材料性能等级材料和热处理化学成分/%回火温度/℃minCPmaxSmaxBmaxminmax3.6碳钢—0.200.050.060.003—4.6—0.550.050.060.003—4.85.60.130.550.050.060.003—5.8—6.88.8低碳合金钢（如硼、锰或铬），淬火并回火或中碳钢，淬火并回火0.150.400.0350.0350.0034250.250.550.0350.0359.8低碳合金钢（如硼、锰或铬），淬火并回火或中碳钢，火并回火0.150.350.0350.0350.0034250.250.550.0350.03510.9低碳合金钢（如硼、锰或铬），淬火并回火0.150.350.0350.0350.00334010.9中碳钢，淬火并回火或低、中碳合金钢（如硼、锰或铬），淬火并回火或合金钢，淬火并回火0.250.550.0350.0350.0034250.200.550.0350.200.550.0350.0350.00312.9合金钢，淬火并回火0.280.500.0350.0350.003380标准对材料化学成分规定了一个较大的范围，如无特殊规定，应由紧固件生产企业选用材料牌号，但仍应对照钢材的化学成分。例如，生产3.6级的方头螺栓，可采用含碳量上限为0.20%的材料，而Q235含碳量的上限超出了对3.6级规定的，用以制造3.6级螺栓是不合适的。8.8级、9.8级和10.9级都允许用低碳合金钢制造，其性能也能达到相应性能等级的要求，在某些方面还具有优越性，如良好的冷成型性，淬火时脱碳及开裂倾向小，低的缺口敏感性及低的延迟断裂倾向等。由于淬火后获得的低碳马氏体硬度比较低（35～45HRC左右），需采用较低的回火温度，在金相组织中仍是回火马氏体组织，故称为“低马钢”，为与中碳钢制造的螺栓有所区别，故低马钢制造的10.9级产品在性能等级标记下加下划线“”。常用低马钢有15MnVB、15MnB、20MnTiB等，其中主要合金元素为锰和硼。对硼的看法各国尚有分歧，美国认为含硼的锰钢有潜在的危险，曾经要求贸易部门禁止亚洲含硼锰钢制造的紧固件进口。但是随着使用量的加大及实际使用效果的验证，对含硼钢制造的8.8级和9.8级螺栓，已经得到了ISO标准的认可。ISO898-1表2中规定硼（B）最大含量为0.003%（老标准为0.006%），并在表2的注1）中又说明最大硼含量可达0.005%，其非有效成分可用添加剂钛和铝控制。硼钢是一种比较经济的钢种，微量的硼就能大大地提高钢的淬透性（如0.003%）。但硼含量高了对钢也是有害的。因为硼化物是一种极硬及极脆的夹杂，量多了会增加脆性。应当指出，我国冶金标准中规定含硼量的上限为0.007%，用国产的硼钢生产出口的紧固件，含硼是有可能超标的。ISO898-1表2的注7）中规定：“合金钢至少应含有以下元素中的一种元素，其最小含量为：铬0.30%；镍0.30%；钼0.20%；钒0.10%”。由文字本身理解10.9级分出了三个层次：第一层次是中碳钢；第二层次含硼、锰或铬的低中碳合金钢，这种材料是作为调质钢来使用的，如40MnB、45MnB等；第三层次才是有最低合金含量要求的合金钢。对10.9和12.9级的材料，应具有良好的淬透性，以保证螺纹截面的芯部在淬火后获得90%的马氏体［ISO898-1表2的注6）］。ISO898-1表2中增加了注9）：“该（指12.9级）化学成分和回火温度尚在调查研究中”。其含碳量的下限也从原来的0.20%提高到0.28%。国内、外生产12.9级的螺栓量较少，对12.9级的材料还在研究中。ISO898-1表2注8）指出：考虑承受抗拉应力，12.9级的表面不允许有金相能测出的白色磷聚集层。生产中，对高性能等级的材料，为便于成型，在冷镦成型前，原材料进行磷化处理，在完成成型后，表面留有残余的磷化层。如不进行清理，在后序的淬火加热时残余的磷就会渗入金属表面形成磷化物，这种磷化物对12.9级螺栓是有害的，故应避免，即在热处理前应对残留的磷化层进行清理。4.1.4机械性能指标ISO898-1：1999中对螺栓、螺钉和螺柱机械和物理性能做了详细规定和说明，对于不同品种、不同尺寸和不同交货要求的产品，并不是要求所有的项目，而是有所取舍。另外，在实践中应根据自身质量保证能力、经济性和自已的实践经验，注意各性能指标间的内在联系，确定内控指标。4.1.5机械性能的试验项目ISO898-1第6章对机械和物理性能的试验项目分为“A”、“B”两类。“A”类项目适用于机加工试样或杆上无螺纹部分小于螺纹应力截面积的产品。“B”类项目用于螺栓实物的拉伸试验，试验应尽量采用“B”类项目，但对拉力载荷小于500kN或不适用A类项目的产品，则必须采用“B”类项目。在ISO898-1表4试验项目索引中，又将螺栓分成d≤3mm或12.5d；d3mm和l≥2.5d两种情况。对d≤3mm或12.5d的情况，不能进行拉力试验，这类情况用“○”表示；对d3mm和l≥2.5d的情况，可以进行拉力试验，用“●”表示。4.1.6试验方法a）螺栓实物拉力试验进行试验时，从螺栓或螺钉的螺纹收尾到夹具的螺母支承面（承受拉力载荷而未旋合的螺纹长度）的最小距离应大于或等于1倍的螺纹直径（≥1d）。当试验力达到ISO898-1表6或表8规定的拉力载荷时，螺栓不得断裂。拉力试验应持续到发生断裂。当载荷持续增加直到螺栓拉断，断裂应发生在螺栓杆部或未旋合的螺纹长度内，而不应发生在头部和头杆交接处。实际操作中，如果当拉力载荷超过规定的最小值，并在杆部产生明显缩颈时，也可以停止试验，但如有争议，则应将螺栓拉断。全螺纹的螺栓或螺钉，如断裂自未旋合的螺纹部分起始，即使在拉断前已延伸或扩展到头下圆角或头部，仍应视为符合本试验要求。ISO898-1规定“楔负载试验不适用于沉头螺钉”，并增加了楔负载试验用孔径（见标准表10）。b）脱碳试验表面脱碳层可能是在原材料或拉拔后再结晶退火时形成的，也可能在成品热处理时形成。脱碳层应在螺纹的纵向截面上测量。脱碳层的深度用全脱碳层的最大深度G和螺纹未脱碳层的最小高度（或金属基体组织的高度）Emin两个指标来考核。对8.8、9.8级Emin=H1（H1指螺纹牙型实际高度）；10.9级Emin为；12.9级为。所有级别的全脱碳层G应小于0.015mm（全脱碳层指在这一层中碳全部损耗，只能看到铁素体组织）。4.1.7产品标志ISO898-1明确规定：“只有符合本标准的所有技术要求，紧固件产品才能按标准第3章的标记制度进行标志和（或）标记”。即无论在签订的订货合同中使用了本标准规定的“标记”或者在紧固件产品上使用了本标准规定的“标志”，紧固件产品的制造者或供应方都应保证所提供的紧固件产品符合ISO898-1的所有技术要求。“开槽和十字槽螺钉，不使用标志”。ISO898-1：1999版首次规定：“在不要求标志性能等级的产品上，也推荐标志制造者的识别标志”，以及“经销者在紧固件产品上使用了自己的识别标志，应视为制造者的识别标志”。对内销紧固件的产品标志，目前由全国紧固件标准化技术委员会负责登记、协调、确认与发布工作；对出口紧固件的产品标志，在国际上目前尚无任何机构负责，一般应由用户确定。ISO898-1规定：“对小螺栓、螺钉或头部形状不允许按ISO898-1表14的规定标志时，可按表15给出的‘时钟面’符号标志性能等级”，但实际上，目前使用很少，应慎用。ISO898-1：1999版首次规定：对所有性能等级的“六角头和六角花形头螺栓和螺钉（包括法兰面产品）”和性能等级为8.8及其以上的“内六角和内六角花形圆柱头螺钉”，以及性能等级为8.8及其以上的“圆头方颈螺栓”产品，均应标志制造者的识别标志和性能等级标志代号，并且对公称直径d≥5mm的产品，标志是强制性的。4.1.8附录ISO898-1附录A新增了文字的说明，它告诉我们，温度会对бs或бp0.2产生影响，随着温度的升高，бs（бp0.2）会有所降低，表A1是从经验得到的近似表述，而不能作为试验的技术要求。ISO898-1规定的温度适用范围为≥-50℃，并≤+300℃，但标准给出的机械性能指标是在10℃～35℃试验环境温度条件下测得的，故在高于35℃时，性能会有所下降。例如8.8级螺栓在+300℃时，бp0.2会从640N/mm2降至480N/mm2；对低马钢的10.9级螺栓，由于提高温度后бb会受到削弱4，建议不要在较高温度下使用。总之，ISO898-1表A1提供的数据是指导性的，可供设计和使用时参照4.2不锈钢螺栓、螺钉和螺柱的机械性能ISO3506-1：1997“耐腐蚀不锈钢紧固件机械性能第1部分：螺栓、螺钉和螺柱”（GB/T3098.6-2000等同采用），由于不锈钢机械性能与碳钢不同，特别是大多数不锈钢都不能进行淬火回火，因此不锈钢外螺纹紧固件机械性能标记制度、性能指标与碳钢有很大差异，并引入了材料组别的概念4.2.1标记制度不锈钢螺栓、螺钉和螺柱机械性能等级的标记由“-”短划隔开的两部分组成。第一部分标记钢的组别，第二部分标记性能等级。钢的组别（第一部分）的标记由字母和一个数字组成。字母表示钢的类别，数字表示该类钢的化学成分范围。其中A--奥氏体不锈钢；C--马氏体不锈钢；F--铁素体不锈钢。性能等级（标记的第二部分）的标记由两位数字组成，表示紧固件抗拉强度的1/10，如A2-50表示该抗拉强度为500N/mm2；A2-70表示抗拉强度为700N/mm2等。4.2.2奥氏体不锈钢性能等级奥氏体不锈钢按成分分