米制紧固件机械性能.docx
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米制紧固件机械性能
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纳。
4.1 碳钢和合金钢螺栓、螺钉和螺柱的机械性能
4.1.1 适用范畴
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。
适用的螺纹规格范畴为:
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,从体会得到的屈服点或规定非比例伸长应力降低情形的近似情形的近似表述,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,关于这部分产品,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,则能够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。
螺栓机械性能要紧取决于材料、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/℃min
C
Pmax
Smax
Bmax
min
max
3.6
碳钢
—
0.20
0.05
0.06
0.003
—
4.6
—
0.55
0.05
0.06
0.003
—
4.8
5.6
0.13
0.55
0.05
0.06
0.003
—
5.8
—
6.8
8.8
低碳合金钢(如硼、锰或铬),淬火并回火或中碳钢,淬火并回火
0.15
0.40
0.035
0.035
0.003
425
0.25
0.55
0.035
0.035
9.8
低碳合金钢(如硼、锰或铬),淬火并回火或中碳钢,火并回火
0.15
0.35
0.035
0.035
0.003
425
0.25
0.55
0.035
0.035
10.9
低碳合金钢(如硼、锰或铬),淬火并回火
0.15
0.35
0.035
0.035
0.003
340
10.9
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
0.25
0.55
0.035
0.035
0.003
425
0.20
0.55
0.035
0.20
0.55
0.035
0.035
0.003
12.9
合金钢,淬火并回火
0.28
0.50
0.035
0.035
0.003
380
标准对材料化学成分规定了一个较大的范畴,如无专门规定,应由紧固件生产企业选用材料牌号,但仍应对比钢材的化学成分。
例如,生产3.6级的方头螺栓,可采纳含碳量上限为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级都承诺用低碳合金钢制造,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,低的缺口敏锐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),需采纳较低的回火温度,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,其中要紧合金元素为锰和硼。
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。
然而随着使用量的加大及实际使用成效的验证,对含硼钢制造的8.8级和9.8级螺栓,差不多得到了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操纵。
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%”。
由文字本身明白得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先的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:
考虑承担抗拉应力,12.9级的表面不承诺有金相能测出的白色磷集合层。
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,故应幸免,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,关于不同品种、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,在实践中应依照自身质量保证能力、经济性和自已的实践体会,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,试验应尽量采纳“B”类项目,但对拉力载荷小于500kN或不适用A类项目的产品,则必须采纳“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1<2.5d;d>3mm和l≥2.5d两种情形。
对d≤3mm或1<2.5d的情形,不能进行拉力试验,这类情形用“○”表示;对d>3mm和l≥2.5d的情形,能够进行拉力试验,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(承担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。
拉力试验应连续到发生断裂。
当载荷连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,假如当拉力载荷超过规定的最小值,并在杆部产生明显缩颈时,也能够停止试验,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”。
即不管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,也举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、和谐、确认与公布工作;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,一样应由用户确定。
ISO898-1规定:
“对小螺栓、螺钉或头部形状不承诺按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,目前使用专门少,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,同时对公称直径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产生阻碍,随着温度的升高,бs(бp0.2)会有所降低,表A1是从体会得到的近似表述,而不能作为试验的技术要求。
ISO898-1规定的温度适用范畴为≥-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等同采纳),由于不锈钢机械性能与碳钢不同,专门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、性能指标与碳钢有专门大差异,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畴。
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成A1、A2、A3、A4及A5等五组。
由于奥氏体钢不能进行淬火回火,它的强度只能通过冷作硬化及合金元素强化成沉淀硬化等方法获得,故其性能等级只有三个等级。
其中,A1-50是所谓软的,即未经受加工硬化(采纳切削或热镦工艺生产),最小抗拉强度为500N/mm2;A2-70和A2-80是采纳冷变形方法加工的,通过形变强化后,最小抗拉强度可达700N/mm2和800N/mm2(加入某些元素后可强化奥氏体,如Nb可使бb提高到800N/mm2),不锈钢的断后伸长率(强化容量专门高)能够超过50%,形变强化的指数高。
因此不锈钢的抗拉强度能够从不到400N/mm2强化到800N/mm2。
奥氏体是没有磁性的,通过变形后诱发的马氏体使奥氏体不锈钢产生剩磁,在某些电子产品,如彩电中固定显像(电子)管的偏转线圈螺钉要求不带磁性,国内参照日本的XMT研制了一种无磁不锈钢ML843(0Cr17Ni10Si1Mn3Cu4),生产偏转线圈的固定螺钉成效专门好。
所谓沉淀硬化确实是在不锈钢中加入少量的合金元素,如Al、N等,这种材料通过高温固溶处理,并进行长时刻的低温时效后,在不锈钢组织中分析出一种游散的金属化合物,从而使不锈钢的抗拉强度提高。
ISO3506-1还没有列入沉淀硬化型不锈钢钢种牌号。
4.2.3 马氏体不锈钢性能等级的标记
马氏体不锈钢用字母“C”表示,C后的数字1、3、4表示材料的组别,如C1、C3、C4。
性能等级分别标记为50、70、80和110,共四个等级。
马氏体不锈钢要紧成分为铬,即含铬不锈钢,相当于我国的Cr13系列钢种,如0Cr13、1Cr13、2Cr13、4Cr13等。
由于含有大量的合金元素,阻碍了钢的共析点,Cr13系列的不锈钢含碳为0.4%时就相当于钢的共析点,超过0.4%组织中就会显现渗碳体(高碳钢)。
因此4Cr13是作为工具钢使用的,最典型的用途确实是外科手术刀等器具。
0Cr13因含碳量太低属铁素体不锈钢。
因此,用于制造紧固件的马氏体不锈钢的含碳量应该在0.1%~0.25%的范畴之内。
马氏体不锈钢的强度能够选择不同成分的材料淬火后用不同的回火温度获得。
C1-110级,用低温回火;C1-70或C3-80,用450℃以上的高温回火;C1-50,应该是淬火并采纳更高的回火温度后获得,但这一类别中祗写了软的,而没有注明要不要淬火回火(调质),也确实是说只要最小抗拉强度达到500N/mm2,则能够省去淬火回火。
但从组织上看,不淬火回火的这种钢属铁素体加朱光体组织,不属马氏体型。
4.2.4 铁素体不锈钢性能等级的标记
铁素体不锈钢用字母“F”表示,铁素体材料组别只有一组,F1。
F1-45为软的,即未通过加工硬化,F1-60是通过冷加工硬化的。
铁素体不锈钢因含碳量低,不进行淬火回火。
4.2.5 表面精饰
ISO3506-1第3.3条规定:
“除非另有规定,否则符合本标准的紧固件应进行清洗和光亮处理。
举荐最大限度地采纳耐腐蚀钝化处理”。
不论是用何种工艺生产的不锈钢紧固件,生产完工后表面上都带有油污,而使用不锈钢产品的场合往往对清洗度要求又专门高。
因此,不锈钢紧固件出厂前必须进行除油。
假如紧固件表面没有光泽,应进行化学抛光。
化学抛光在盐酸和硝酸溶液中进行,为了加快化学抛光的速度,还需加入少量氢氟酸。
注意化学抛光时不能造成过酸性,否则反而使表面发灰。
化学抛光后,再进行钝化处理。
表面没有油膜,会给装配带来一些难题。
由于内外螺纹表面都没有润滑膜,大规格的螺栓与螺母在旋合时会产生咬死现象,也可能因为螺纹精度不太好,在旋合时使表面的摩擦力过大,能够通过涂润滑剂解决。
4.2.6 材料
ISO3506-1规定的不锈钢化学成分范畴,见表14。
表14不锈钢化学成分
类别
组别
化学成分%
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Ni
Cu
奥氏体
A1
0.12
1
6.5
0.2
0.15~0.35
16~17
0.7
5~10
1.75~2.25
A2
0.1
1
2
0.05
0.03
15~20
-
8~19
4
A3
0.08
1
2
0.045
0.03
17~19
-
9~12
1
A4
0.08
1
2
0.045
0.03
16~18.5
2~3
10~25
1
A5
0.08
1
2
0.045
0.03
16~18.5
2~3
10.5~14
1
马氏体
C1
0.09~0.15
1
1
0.05
0.03
11.5~14
-
1
-
C3
0.17~0.25
1
1
0.04
0.03
16~18
-
1.5~2.5
-
C4
0.08~0.15
1
1.5
0.06
0.15~0.35
12~14
0.6
1
-
铁素体
F1
0.12
1
1
0.04
0.03
15~18
-
1
-
A1组钢中,有较高的硫含量加磷含量,是专门为切削加工设计的一组钢,我国的老钢种如1Cr18Ni9Ti属A1组。
由于含有较多的硫,因此耐腐蚀能力要差一些。
A2组钢是举荐的用作冷镦的不锈钢,含镍量达到8%~19%,像美国302、304、308、316等都在这一组。
为了改善冷镦性能,在不锈钢中添加了钼元素(最大为4%),加入铜和锰能够减少镍的加入量,如XM-7。
A2组钢比A1组钢的含碳量低,故比A1组的耐腐蚀性要好,不锈钢耐腐蚀的要紧缘故确实是不锈钢中的铬氧化后会形成一层专门致密的三氧化二铬爱护层。
假如不锈钢中碳含量高了,由于铬与碳的作用比铁与碳的结合力强,故铬先与铁与碳形成铬与碳的化合物(Cr23CT),并沿着晶界析出,在析出的化合物周围形成盆铬区,降低了这一区域的耐腐蚀性能。
不锈钢的这一沿晶界腐蚀现象称作“晶间腐蚀”。
马氏体不锈钢是以Cr13系列为主的不锈钢,最高含铬量可达18%。
C1组钢,有较低的含碳量,调质后最小抗拉强度为700N/mm2。
C1-70、C1-110是经275℃的低温回火后的马氏体钢。
C3组钢含碳量较C1组高,调质后最小抗拉强度为800N/mm2(C3-80)。
以上两种钢不进行冷镦及冷挤加工,C4组钢是专门设计的适合于机械加工的马氏体不锈钢,其成分中有较高的硫含量(0.15%~0.35%)。
马氏体类不锈钢的防锈能力是有限的,一样只用于抗大气腐蚀的紧固件,如泵阀等零件。
铁素体不锈钢为含铬量为15%~18%的铬不锈钢,用于一样的防锈场合。
关于超低碳量(C≤0.025%)和含氮的铁素体钢,并适当提高含铬量(17~19%)的铁素体不锈钢,某些场合能代替A2、A3钢组使用(见ISO3506-1附录C中的表C1中的F1类型)。
铁素体类不锈钢F1-45为不经冷作硬化的性能等级,F1-60为通过冷加工强化的性能等级。
对铁素体类不锈钢,即使某些钢中C%已达到可调质的成分,也不应通过热处理,否则就与马氏体类不锈钢相混淆了。
4.2.7 机械性能
不同类别的紧固件机械性能指标不同,奥氏体不锈钢规定了抗拉强度бb、规定非比例伸长应力бp0.2和断后伸长量δ,当d≤M1.6~M16,l<2.5d的奥氏体不锈钢产品不能作实物拉伸试验时,应进行破坏扭矩试验。
马氏体不锈钢规定了楔负载强度бb、规定非比例伸长应力бp0.2和断后伸长量δ。
铁素体不锈钢规定了抗拉强度бb、规定非比例伸长应力бp0.2和断后伸长量δ。
马氏体和铁素体不锈钢的破坏扭矩值,应由供需双方协议。
4.2.8 试验项目
ISO3506-1表5按材料组别和螺栓、螺钉或螺柱的长度规定了试验项目。
4.2.9 试验方法
不锈用实物试样测量规定非比例伸长应力бp0.2,是采纳了在加载的同时测出载荷-伸长的方法。
即按载荷及伸长作出载荷-伸长曲线;依照夹紧长度的0.2%,在横坐标上取一线段OP,从P点作一平行于拉伸曲线直线段pQ的平行线,这一平行线OR与拉伸曲线的相交点S,即相当于垂直轴线上的T点,该点的载荷除以应力截面积确实是бp0.2(ISO3506-1图4)
4.3 碳钢和合金钢紧定螺钉的机械性能
ISO898-5:
1998“碳钢和合金钢制造的紧固件机械性能第5部分:
紧定螺钉及类似的不受拉应力的螺纹紧固件”(GB/T3098.3-2000等同采纳)。
4.3.1 适用范畴
ISO898-5适用于由碳钢或合金钢制造的紧定螺钉及类似的不受拉应力的紧固件,即不规定抗拉强度的螺纹紧固件。
其适用的螺纹公称直径范畴为:
1.6~24mm。
ISO898-5规定的试验环境温度为10~35℃。
即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。
ISO898-5不适用于专门性能要求的紧定螺钉,如:
规定拉应力(ISO898-1);可焊接性;耐腐蚀性(ISO3506-3);工作温度高于+300℃(用易切钢制造的不能用于+250℃以上)或低于-50℃的性能要求。
4.3.2 标记制度
紧定螺钉的性能等级用代号标记:
代号的数字部分表示最低维氏硬度的1/10;代号中的H字母表示硬度,见表15。
表15紧定螺钉性能等级的标记
性能等级
14H
22H
33H
45H
维氏硬度HVmin
140
220
330
450
4.3.3 材料
ISO898-5表2中给出了适用于各性能等级材料的最高含碳量C:
0.50%,并对用于45H级的材料要求:
应含有一种或多种铬、镍、钼、钒或硼合金元素,其最低含碳量C为0.19%。
4.3.4 机械性能
ISO898-5表3规定了紧定螺钉的机械性能:
维氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度、保证扭矩、螺纹未脱碳层的最小高度、全脱碳层的最大深度和最高表面硬度等共七项指标。
其中保证扭矩仅适用于45H级内六角紧定螺钉。
4.3.5 产品标志
ISO898-5规定:
通常,不要求对紧定螺钉进行性能等级与制造者的识别标志,如有专门要求,应经供需双方协议。
4.4 不锈钢紧定螺钉的机械性能
ISO3506-3:
1997“耐腐蚀不锈钢紧固件机械性能第3部分:
紧定螺钉及类似的不受拉应力的螺纹紧固件”(GB/T3098.16-2000等同采纳)。
4.4.1 标记制度
不锈钢紧定螺钉的机械性能标记,也是由“-”短划隔开的两部分组成。
第一部分表示不锈钢的组别,即A1、A2、A3
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