紧固件材料选择

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1、紧固件材料选择 紧固件材料选择（译自美国 Fastenal 的 Technical Reference Guide）没有一种在任何环境下都合适的紧固件材料。在众多能 够 使用的材料中选择正确的紧固件材料看起来是一件可怕的任务，需要仔 细考虑给定的强度、温度、腐蚀、振动、疲 惫和很多其他不确定因素。因此，具备和理解一些基本知识，才能产生满足的结果。1 机械性能大多数紧固件都需要承受或传递外部提供的载荷。假如 仅 涉及到强度， 紧固件材料通常采用碳钢。90%以上的紧固件用碳钢制造。考虑到原材料本钱，一般情况下，只有在有特殊应用要求时才考虑有色金属。1.1 抗拉强度与标准螺纹紧固件最相关的机械性能是

2、抗拉强度，抗拉 强 度是紧固件预定可以承受或断裂时的最大加载拉力载荷（见图 1）。紧固件可以承受的拉力 载荷由下面的公式计算：P=St x As其中：P = 拉力载荷（lb，N）St = 抗拉强度（psi，MPa）As = 应力截面积（sq.in ，sq.mm）例：3/4-10X7SAE J429 5 级 六角螺栓（St 和 As 值见附录 ）St = 120000 psiAs = 0.3340 sq.inP = 120000 psi x 0.3340 sq.in = 40080 lb(St 和 As 值可在附录中查找)在这个式中，As 作为一个重要因素定义为应力截面积。当螺纹紧固件在单纯受拉

3、失效时，其代表性的断裂都在螺纹部分（这就是最小截面积特性）。 应 力截面积是通过一个包括紧固件公称尺寸和螺距的经验公式计算出来的，提供在附 录的表中。图 1.应力-应变图1.2 保证载荷保证载荷表示标准紧固件可以使用的强度范围，保 证载荷是一个 紧固件必须承受且不会出现永久变形时加载的拉力载荷。 换句话说就是，当 载荷往掉 时，螺栓可以回复到初始状态。图 1 所示为螺栓在加载拉力载荷时的典型应力-应变关系。钢材拉伸时有确定的弹性模量，假如紧固件处于弹性范围内，往掉 载荷后， 紧固件总是回复到初始状 态。可是，假如 载荷超过了紧固件的屈服点，就将进进 塑性范围，此 时，即使往掉载荷，钢材也不会回

4、复到初始状态。屈服强度就是发生永久变 形的这个点。假如 继续加载，将达到最大强度点，这就是大家知道的终极抗拉强度。通过这 点后， 应力减小，紧固件继续“缩颈”和进一步伸长，伸长将最后导致紧固件在拉力点断裂。1.3 剪切强度剪切强度就是加载与紧固件轴线垂直时，断裂前可以承受的最大载荷。 载荷出现在一个横截面上就是单一剪切，双剪切就是 紧固件被三个部件剪切， 载 荷加在两个截面上。图 2 是双剪切示例。对大多数螺纹紧固件来说，即使 经常用于剪切环境，剪切 强 度也没有作为技术要求。尽管盲铆钉采用一种单一剪切试验装置的剪切试验可称为是一个完善的标准试验程序，但还没有设计螺纹紧固件的试验技术。大多数螺

5、 纹紧固件剪切试验 方法使用双剪切装置，但 试验装置设计的变化导致了丈量的剪切强度散布较宽。测定材料的剪切强度，剪切面的 总截面积是关键。通 过螺纹 的剪切面积采用应力截面积（As ）。图 2 示例了加载剪切载荷时 的两种可能性。第一种的剪切面对应于螺栓的螺纹部分，剪切强度直接与有效截面发生关系， 较小的面积将导致螺栓剪切 强度降低。 为了充分利用强度特性，首选的设计是将全部光杆安置在剪切面，如 图示右边的 连接。图 2.螺栓连接剪切面硬度小于即是 40HRC 的普通碳钢，没有 给出剪切强度时，经常采用 60%的极限抗拉强度，这是曾经给出的适当的安全系数。 仅用于估算。1.4 疲惫强度在交变载

6、荷下工作的紧固件会忽然或出乎意料地断裂，即使 载荷远低于材料强度， 这就是紧固件疲惫失效。疲惫强度是紧 固件失效时可以经受的一个 预定的交变应力次数。1.5 扭力强度扭力强度通常是用扭矩极限表示的载荷， 紧固件失效是绕轴线拧 断。自攻螺 钉和内六角螺钉要求扭力试验。1.6 其他机械性能1.6.1 硬度硬度是材料抵抗磨损和压痕的能力。布氏和洛氏硬度 试验 能够用来估计紧固件的抗拉强度性能。1.6.2 塑性(屈强比)塑性是对持续塑性变形直到断裂的程度衡量， 换句话说，它是材料断裂前的变形能力。经过很小或没有塑性变形就断裂的材料就是脆性材料。紧固件塑性的适当表示是 规定的最小屈服强度与最小抗拉强度的

7、比值，这个比值较低， 则紧固件有更高的塑性。1.6.3 韧性韧性是材料吸收冲击或震动载荷的能力。冲 击强度韧性是少有的技 术规范要求，除各种航天航空产业紧固件外，ASTM A320 低温环境合金钢栓接材料技术规范是要求进行冲击试验的几个级别的技术规范之一。2 材料2.1 碳钢90%以上的紧固件用碳钢制造。钢材具有极好的加工性能，获得各种强度性能组合的范围非常宽广，与其它常用于紧固件的材料相比，本钱更低。机械性能对材料中碳的含量很敏感，通常碳含量小于 1%。就紧固件而言，大多数普通钢材被分类为三组：低碳钢、中碳钢 和合金钢。2.1.1 低碳钢低碳钢碳含量一般小于 0.25%，并且不能通过热处理进

8、步强度，只能通过冷加工（冷作硬化）来进步强度。相对来说低碳钢 材料很柔软，但具有明 显的塑性和 韧性，而且机加工和焊接本钱相对较低。典型的低碳钢屈服 强度为 40000psi，抗拉强度为 6000080000psi，塑性为 25%的伸长率。经常使用的材料包括 ANSI1006、1008、1016、1018、1021 和 1022。SAE J429 1 级和 ASTM A307 A 级是低碳钢强度等级，性能基本相同。ASTM A307 B 级是用于管道和法兰螺栓的特殊低碳钢等级，除 规定了最大抗拉 强度外，性能与 A 级非常相似，这样的原因是为了保证，螺栓因疏忽导致安装超拧时，在铸铁法兰、阀、泵

9、和昂贵的长管道破坏之前先断裂。SAE J429 2 级是由于冷加工（冷镦）而改善了 强度性能的低碳钢强度等级。2.1.2 中碳钢中碳钢碳含量在 0.25%0.6%之间，它 们可以通过奥氏体化 热处理，淬火和回火（调质）来改善机械性能。普通中碳钢淬透性差，只有在薄的区域和快速淬火冷却时才能成功进行热处理。因此，紧固件的最后性能受尺寸影响。请留意，在 SAE J429 5 级， ASTM A325 和 ASTM A449 技术规范中，强度性能随着直径的增大逐步降低。在强度-本钱之间，中碳钢热处理给效益带来了极大的负担。中碳钢屈强比很低，因此有很好的塑性。普通中碳钢包括 ANSI1030、1035、

10、1038 和 1541。2.1.3 合金钢当锰（Mn）含量超过 1.65%、硅(Si)或铜（Cu）含量超过 0.6%，或铬(Cr)含量低于 4%时，碳钢可以分类为合金钢。假如规定了 铝（Al）、 钛(Ti)、 钒(V)、镍(Ni)的最小含量，或其它任何附加元素达到了特有成分，碳钢也可以分 类为合金钢。增加 铬(Cr)、镍(Ni)和钼（Mo），改善了合金钢的热处理能力，增加了更多的 强度与塑性（屈强比）组合种 类。 SAE J429 8 级、ASTM A354 BD 级、 ASTM A490、ASTM A194 B7 级是合金钢紧固件的所有常 见范例。2.2 不锈钢不锈钢是含铬(Cr)量不小于

11、10.5%的铁基合金。 铬(Cr)使材料表面产生一层透明的抗氧化薄膜，使材料“钝 化”或耐腐蚀。其它元素，象镍(Ni)或钼（Mo ）的加进，可以增加耐腐 蚀、强度或耐热性能。不锈钢按显微组织能简单公道地分为三类：奥氏体、 马氏体和 铁素体，它 们都有特有特性和等级或“型号”。也可以加进更多合金来改变化学成分以满足不同的腐蚀环境、温度范围和强度要求的需要，或改善焊接性能、加工性能、加工硬化和成形性能。2.2.1 奥氏体不锈钢铬(Cr)和镍(Ni)的含量比其它型号高，不能热处理进步硬度，耐腐蚀程度高。基本上没有磁性，不过，有些产品在冷加工后会变得有稍微磁性。奥氏体不锈钢的抗拉强度为 7500010

12、5000psi。18-8 不锈钢是含铬(Cr) 量约 18%、含 镍(Ni)量约 8%的不锈钢型号，18-8 不锈钢的级别包括但不限于 302、303、304 和 XM7。普通奥氏体不锈钢级别 302：一般用途不 锈钢，在多数大气条件下表面没有光泽，适当进步温度时仍呈现高的强度，常用于线型产品，如弹簧、栅网、缆绳等，是平 垫圈的普通材料。 302HQ：添加了 铜，以减少冷成形时的加工硬化，常用于机螺钉、自攻螺钉和小螺母。 303：含有少量的硫，以改善切削性能，常用于定制的螺母和螺栓。 304：一种低碳高 铬不锈钢 ，与 302 相比，改善了耐腐蚀性能，是用于六角螺栓最普通的不锈钢，用来冷镦螺栓，也常用来熱镦大尺寸或长螺栓。 304L：一种含碳量较低的 304 型不锈钢，因此强度稍微降低，但低含碳量进步了 304L的耐腐蚀和焊接能力。 309 和 310：镍（Ni）和铬 （Cr）含量较高，推荐用于高温条件下，310 对盐和其它恶劣环境有特别的耐腐蚀能力。 316 和 317：特别有效地改善了在海水和各种化学品中