1、概述

       在汽车车辆等机械装备大型化的发展过程中，开发轻量化、重载型的成套设备是发展方向。迄今，材料研发与制造技术有待于进一步完善和发展，而螺栓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%，强塑积一般应大于104 Mpa%，具有良好的综合力学性能。技术发展有赖于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，实现产品成套设备的轻量化。

       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工艺措施有，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够不完善。

　　当前，高强度螺栓、螺钉和螺柱脆性破坏是机械装备早期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极大。

　　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度，常用的是FATTn表示。以上两种方法都还是经验性的，它们无法找到实验室中的转变温度与实际紧固件的转变温度之间的转移关系。

2.1材料与冲击韧度的关系

　　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。如常用的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113和78MN/m2，而冲击韧度（冲击吸收能量KV、KU）值，前者比后者低20～45J。

　　Ni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；Al是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的Al ，可细化晶粒，提高冲击韧度。

　　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氢致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35CrMoA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。35CrMoV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（如降低碳合量等）、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。晶粒越细，屈强比越高，而且裂纹扩展时所消耗的能量也越多。细晶强化是使材料强度和韧性同时提高的有效手段。为此，对高强度螺栓原材料的实际晶粒度应控制在6～8级，最佳在7～8级。

2.3热处理对冲击韧度的影响

　　在不牺牲力学性能的情况下，适当降低淬火温度在一定程度上能细化晶粒，增加晶界面积，减少P的偏析，有效遏制P对材料的脆化效应，从而改善材料的冲击韧度和降低钢的低温脆性转变温度（FATT）。生产实践表明，淬火时提高冷却速度也可降低脆性转变温度，从而提高冲击韧度。

　　淬火温度对屈服极限和抗拉强度的影响不大。在临界区淬火（即加热到Ac1～Ac3两相区内淬火）也可以提高低温韧性和抑制回火脆性。但对于风电高强螺栓一般不适用此工艺。

回火温度的影响，总的趋势是随着回火温度的升高，冲击韧度值增大，而强度降低。首先，要避开第一类回火脆性区间（250～400℃）回火；其此，对低合金钢在450～600℃回火时通过快冷，减少第二类回火脆性的影响。有些回火材料在某个回火温度范围内其断裂韧性值降低。

2.4断裂韧性与冲击韧度的联系

断裂韧性KIC和缺口冲击韧度(冲击吸收能量KV、KU）都是材料的韧性指标。因此，很多提高断裂韧性有效的措施，均能提高冲击韧度。但是两者之间也是有明显的区别。因为一个是裂纹；一个是缺口，两者的应力集中程度不同，两者即有联系，又有区别的两个力学性能指标。

3、螺栓试样冲击试验

3.1冲击试验通则

　　根据GB/T3098.1-2010标准冲击试验用于检验在规定的低温条件下，紧固件材料的韧性。如在产品标准或供需双方协商中有要求时，方可实施试验。

　　试验仪器与装备应符合GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》。材料的V型缺口试样和U型缺口试样的冲击能量分别表示为KV和KU，并用下标数字2表示摆锤刀刃半径，如KV2，其单位为J（焦耳）。冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上读出。而用试样缺口处的截面积S去除KV或KU，可得到材料的冲击韧度指标，用符号aK=K/S，其单位为KJ/m2或J/cm2。与k相比，aK没有明确的物理意义，只是一种数学表达方法。所以，现在大多数冲击吸收能量K作为材料韧性的判据。

3.2冲击试验适用范围

　　螺栓、螺钉和螺柱制取的机械加工试样，规格d≥16mm；螺栓、螺钉的总长（包括头部）≥55mm；螺柱的总长，I t≥55mm。适用8.8级及以上高强度螺栓。

3.3机械加工试样

　　应从尺寸等检验合格的螺栓、螺钉和螺柱成品上制取试样。机械加工试样应符合GB/T229-2007的规定。试样应沿螺杆部纵向，尽量靠近螺栓表面，并尽可能远离螺纹部分。另外，试样无刻槽的一边应靠近螺栓的表面。标准规定冲击试样的尺寸为55mm×10mm×10mm，在试样中间有V型或U型缺口，并使其对称面垂直于试样纵向轴线，保证根部处没有影响冲击吸收功的加工痕迹。如试样料不够制备标准尺寸试样时，可使用宽度7.5mm、5mm或2.5mm的小试样。

3.4技术要求

　　对于机械装备或汽车车辆的高强度螺栓、螺钉和螺柱机械加工试样应置于（零下）-20℃的条件下，用2mm摆锤刀刃半径，按GB/T229-2007规定进行试验。对于8.8级～10.9级高强度螺栓试样在（零下）-20℃温度下的冲击吸收功应≥27J；而12.9级高强度螺栓试样在（零下）-20℃温度下的冲击吸收功应≥20J。

每试验的3个试样中有1个允许偏差在标准值的80%，读取每个试样的冲击吸收功，应至少估读到0.5J或0.5标度单位（或两者之间取最小值）。试验结果至少应保留两位有效数字，修约方法按GB/T8170-2008《数值修约规则与极限数值的表示和判定》执行。

4、结束语

　　夏比冲击试验因其试样加工简便，试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感而成为评价风电机组高强度螺栓、螺钉和螺柱冲击韧性应用最广泛的一种常用试验方法。主要用途如下：①评价材料对大能量一次冲击载荷下破坏的缺口敏感性；②检查和控制材料的冶金质量和热加工质量；③评定材料在高、低温条件下的韧脆转变特性。

      近年来，我国在机械装备的开发与应用方面取得了较大的进展。鉴于我国的材料在物理、化学特性等方面都存在的显著差异，难以完全照搬国外的设计理念和传统的制造技术。高强度螺栓、螺钉和螺柱的制造是一个涉及到技术、经济、安全、环境等诸多方面的复杂系统工程，需要解决从材料到制造，直至使用、维修及安装的全过程中所出现的各种问题，也就是说还离不开一系列相应的技术支持，包括关键的设计技术、材料试验与检测技术、相关的辅助制造技术等任重道远。

参考文献

[1] 屠海令,干勇. 金属材理化测试全书〔M〕.北京：化学工业出版社，2007.

[2] 鄢国强. 材料质量检测与分析技术〔M〕.北京：中国计量出版社，2005.

[3] 国家质量监督检验检疫总局. GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法〔S〕.北京：中国标准出版社，2007.

[4] 国家质量监督检验检疫总局. GB/T 3098.1-2010紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱〔S〕.北京：中国标准出版社，2011.

[5] 国家质量监督检验检疫总局. GB/T 8170-2008数值修约规则与极限数值的表示和判定〔S〕.北京：中国标准出版社，2008.