紧固件材料与紧固件冲击试验

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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。35Cr

7、MoV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

8、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