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第四章 米制紧固件机械性能
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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:ISO 898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)、ISO 3506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ISO 8839(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
ISO 898-1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。
ISO 898-1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。
ISO 898-1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。
ISO 898-1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。ISO 898-1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
ISO 898-1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
ISO 898-1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。
ISO 898-1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。
ISO 898-1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[ISO 898-1表2的注6)]。
ISO 898-1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。
ISO 898-1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
ISO 898-