高強(qiáng)度螺栓材料的選擇

聞 杰

（伍爾特（上海）工業(yè)緊固件有限公司， 上海 201315）

0 引言

由GB/T 3098.1—2010 里第6 章表2 可以看出，標(biāo)準(zhǔn)對材料的要求很寬泛，具體到元素上，明確有含量定義的只有4 大元素： 碳、磷、硫、硼。 標(biāo)準(zhǔn)對8.8 級及以上的產(chǎn)品，默認(rèn)的是調(diào)質(zhì)產(chǎn)品（淬火加高溫回火），本文將主要討論調(diào)質(zhì)類產(chǎn)品的材料。

對于材料，不管是制造方還是使用方，大家都會習(xí)慣性的查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對材料的定義和要求。當(dāng)然，針對螺栓螺釘類產(chǎn)品， 業(yè)內(nèi)人士自然會查閱GB/T 3098.1—2010里第6 章表2。

1 GB/T 3098.1—2010 表2 對材料的要求

眾所周知，碳是鐵碳合金的第一大重要元素。國標(biāo)中各類鋼的牌號開頭的數(shù)據(jù)就是以碳含量的萬分比來命名的。碳含量應(yīng)在一定的范圍之內(nèi)，過低則出現(xiàn)機(jī)械性能不足或無法通過淬火提高硬度和強(qiáng)度， 過高則產(chǎn)品最終無法獲得足夠的韌性。磷和硫在基調(diào)上屬于有害元素，基本上只定義了最大值，只是在使用易切削鋼制造的產(chǎn)品中，考慮了切削性能而適當(dāng)做了放寬。 硼是屬于少量添加即可提高淬透性的元素， 但硼不能完全取代其他的合金元素（錳的添加雖然可以提高強(qiáng)度和淬透性，并降低硫產(chǎn)生的熱脆性， 但錳含量提高后會影響熱處理后的晶粒度并增加回火脆性的風(fēng)險， 因此錳在此標(biāo)準(zhǔn)中不足作為主要合金元素）。

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那么，是不是可以出于成本的考慮，只要使用了四大元素符合了表2 所列的范圍的材料， 產(chǎn)品就能滿足GB/T 3098.1—2010 的要求了呢？ 答案肯定不是。 僅僅四大元素符合表2 所列的范圍， 機(jī)械性能很難滿足GB/T 3098.1的要求。

我們不能只看表內(nèi)的元素含量， 我們不能忽略以下兩點(diǎn)：①雖然表里面只列了4 大元素，但在總體上，從8.8級起，表2 就給了使用合金鋼淬火并回火的選擇，腳注g 已經(jīng)提到可能用到的鉻，鎳，鉬，釩，四類常見的合金元素。并且腳注f 提到，材料應(yīng)有足夠的淬透性，確保螺紋截面的芯部能淬硬，回火前能獲得約90%馬氏體組織（添加合金元素是有效提高淬透性的方式）； ②表2 的最后一列對最低回火溫度的要求。 其實(shí)，GB/T 3098.1—2010 里，幾乎所有的調(diào)質(zhì)產(chǎn)品的機(jī)械性能要求，都是圍繞這兩點(diǎn)展開的。能滿足所有機(jī)械性能要求的前提， 就是材料具有足夠的淬透性以獲得90%的馬氏體組織， 并且符合最低回火溫度的要求。

那么，何謂淬透性？ 這個名詞，在GB/T 3098.1—2010里，除了表2，幾乎沒有別的更深入的闡述。 但是，它卻是所有調(diào)質(zhì)類產(chǎn)品的靈魂。

1.1 淬透性的概念

淬透性（hardenability）是指鋼在一定條件下淬火時獲得淬硬層（馬氏體層）的深度。業(yè)內(nèi)的測試方法主要有：末端淬火法（硬度法）和臨界直徑法（金相法）。

圖1 末端淬火法示意圖

方法闡述： 將使用所測材料加工成的指定尺寸的樣件加熱完全奧氏體化后，在其一端噴淋冷卻，在距離噴淋端每隔一段距離測試硬度（HRC），然后用測試到的距離噴淋端不同距離的硬度值，繪成硬度分布曲線。以橫坐標(biāo)表示距離噴淋端的距離，縱坐標(biāo)表示硬度。

以下是典型的淬透性曲線 （以國內(nèi)常見的45# 鋼和40Cr 為例），見圖2。

圖2 淬透性曲線

我們不難讀出： 兩種材料在噴淋位置的硬度接近， 都是HRC60 左右；而45# 鋼在距離噴淋位置3.2mm 處 硬 度 降 為HRC42，40Cr 在距離噴淋位置12mm 處硬度降為HRC42。 顯然，40Cr 的淬透性優(yōu)于45# 鋼。

如果我們用同樣的試驗(yàn)方法， 在不同牌號的材料之間做比對， 我們可以得到碳元素和其他合金元素對材料的淬透性的影響如圖3 所示。 橫坐標(biāo)仍表示距離噴淋端的距離，縱坐標(biāo)表示硬度。

圖3 碳元素和其他合金元素對不同材料的淬透性的影響

圖3（a）是碳含量接近，但合金元素含量不同的材料之間的比對；圖3（b）是合金元素含量相當(dāng)，但碳元素含量不同的材料之間的比對。

我們可以得出一個結(jié)論： 碳含量決定了馬氏體組織的最大硬度（淬硬性），而合金元素的含量，決定了獲得的馬氏體組織的深度（淬透性）。（圖中的材料牌號屬于歐洲標(biāo)準(zhǔn)的牌號）。

淬透性的另一個測試方法，臨界直徑法，是指能在芯部獲得50%的馬氏體組織的試樣的臨界直徑。當(dāng)然，這里對試樣的淬火方式是浸入式淬火，不是末端噴淋。該方法是金相法， 由于參考的組織是50%的馬氏體， 和GB/T 3098.1—2010 對組織的要求不完全一致， 所以本文不對此方法做更進(jìn)一步的解釋。

1.2 馬氏體組織

我們都知道，合理的金相組織，是實(shí)現(xiàn)所有的機(jī)械性能的基礎(chǔ)，對于調(diào)質(zhì)產(chǎn)品，這點(diǎn)更為突出。 對于鋼鐵類材料，硬度和強(qiáng)度最高的金相組織是馬氏體組織，這類組織可以通過淬火實(shí)現(xiàn)。 但對于緊固件成品，除了硬度和強(qiáng)度，還需要有足夠的韌性和耐沖擊性。 因此，需通過回火來細(xì)化晶粒度，降低晶格間的應(yīng)力，使得成品具有較好的綜合機(jī)械性能。 高溫回火后的馬氏體組織， 又稱回火索氏體。

圖3 是一組典型的90%馬氏體組織回火之后的金相圖片， 圖4 是馬氏體含量不到90%的組織回火后的金相圖片（螺紋截面1/2 半徑區(qū)域，3%硝酸酒精溶液腐蝕后，500 倍放大后的形態(tài)）。

圖3 使用42CrMo 材料生產(chǎn)的GB/T 5782 M24×100 等級為10.9 的產(chǎn)品所獲得的90%以上馬氏體的回火組織

圖4 使用45E 鋼生產(chǎn)的GB/T 5782 M24×100 等級為10.9 的產(chǎn)品獲得約50%馬氏體的回火組織

我們很容易看出，缺少合金元素的材料，冷卻速度不足，淬火后在螺紋截面處的1/2 區(qū)域很難獲得90%的馬氏體組。 并且，前者測出的機(jī)械性能全部符合GB/T 3098.1—2010 的要求，而后者體現(xiàn)出的特性是：在螺紋截面上1/2半徑區(qū)域內(nèi)（見GB/T 3098.1—2010 9.9.4.2 圖8，下同）測到的硬度平均值HRC31，低于標(biāo)準(zhǔn)的最低HRC32 的要求，并且在該區(qū)域內(nèi)， 硬度差異超過了HV30， 成品拉力實(shí)測1045MPa（勉強(qiáng)達(dá)標(biāo)）。

以上，粗略說明了淬透性和90%馬氏體組織的重要性。

2 GB/T 3098.1—2010 中機(jī)械性能對材料的約束

本文的第一章，粗略闡述了GB/T 3098.1—2010 對材料的要求。 那么，標(biāo)準(zhǔn)里定義的機(jī)械性能，哪些是圍繞著材料和淬透性及金相組織展開的呢？

2.1 芯部硬度的差異性

GB/T 3098.1—2010 的9.9.5， 對硬度的技術(shù)要求：對熱處理緊固件，在1/2 半徑區(qū)域內(nèi)測定的硬度值之差，若不大于30HV， 則證實(shí)材料中馬氏體已達(dá)到90%的要求（見表2）。 對這段文字， 大家千萬不要忽略。 這段話在ISO 898.1-2009 中9.9.5（2013 版相同章節(jié)中的闡述一致）表述實(shí)際上是要求了該區(qū)域的硬度差異不得超過30HV，否則需要驗(yàn)證熱處理后的馬氏體組織確實(shí)達(dá)到了90%。這實(shí)際上是對材料淬透性的要求。

2.2 表面/芯部硬度的差異

對表面/芯部硬度的差異的要求，GB/T 3098.1—2010中有兩處陳述：

（1） 機(jī)械性能匯總表3 的腳注h：當(dāng)采用HV0.3 測定表面硬度及芯部硬度時， 緊固件的表面硬度不應(yīng)比芯部硬度高出30HV 單位。

（2）9.11.3.4 對表面硬度的技術(shù)要求中：表面硬度值應(yīng)等于或小于基體金屬硬度值加上30 個維氏單位（HV0.3）。

雖然這兩處強(qiáng)調(diào)的表芯硬度的最大差異， 基調(diào)上是針對避免增碳的要求， 但實(shí)際上同時對材料的淬透性提出了要求。試想：若材料淬透性不足，1/2 半徑區(qū)域無法獲得90%馬氏體組織，即使產(chǎn)品表面不存在增碳，表面/芯部硬度的差異仍會超30HV 單位。 如，本文圖2 中的產(chǎn)品，表面/芯部硬度差異達(dá)到了45HV，且表面不存在增碳。

2.3 最低回火溫度和再回火試驗(yàn)

眾所周知，僅經(jīng)過淬火的鋼鐵件，雖然因獲得了一定量的馬氏體組織而具備了較高的硬度， 但由于未回火的馬氏體晶粒相對粗大，且晶格間存在應(yīng)力，產(chǎn)品幾乎沒有韌性。 緊固件韌性的要求，見GB/T 3098.1—2010 中的斷后伸長率和斷面收縮率，表3 中項(xiàng)目6、7、8。

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淬火馬氏體只有經(jīng)過了回火，晶粒才會細(xì)化，晶格間應(yīng)力才會被消除，韌性才能得到提高。表2 定義的最低回火溫度，是對表3 中韌性的保障。 但，眾所周知，回火后，韌性增加的同時，硬度和強(qiáng)度也會降低。 事實(shí)上，淬火后馬氏體含量不足90%的產(chǎn)品，經(jīng)表2 的最低回火溫度回火后，硬度和強(qiáng)度極易跌破表3 規(guī)定的范圍。 那標(biāo)準(zhǔn)為何要定義最低回火溫度呢？這關(guān)系到GB/T 3098.1—2010 的一個基本問題，符合本標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，應(yīng)用的溫度范圍是-50℃～150℃，也就是說符合本標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，在150℃的溫度下，機(jī)械性能不得出現(xiàn)低于標(biāo)準(zhǔn)的下降（150℃～300℃之間的溫度，可協(xié)商使用）。 因此，只有在足夠高的回火溫度下，晶粒得到足夠的細(xì)化，晶格間的應(yīng)力得到足夠的釋放，才能保證在150℃下不出現(xiàn)機(jī)械性能的二次下滑。

那么， 如何在成品上驗(yàn)證回火溫度滿足了表2 的規(guī)定呢？ 這就涉及了另一個測試項(xiàng)目：GB/T 3098.1—2010的9.12 定義的再回火試驗(yàn)。

簡短的表述該試驗(yàn)的要求：在熱處理的產(chǎn)品上，距離螺紋尾端一倍直徑的距離處切開， 在截面的1/2 半徑區(qū)域測試硬度，三點(diǎn)取平均；然后將試樣在低于表2 定義的最低回火溫度10℃的環(huán)境里保持30min，然后重新在1/2半徑區(qū)域內(nèi)測試硬度，三點(diǎn)平均。后者的硬度值不得低于前者的硬度值減去20HV。

若以上測試不通過，則可確定產(chǎn)品的回火溫度低于了表2 的要求。 客觀原因是產(chǎn)品沒有獲得足夠百分比的馬氏體組織，只能降低溫度回火，以使得最終硬度仍能處在表3要求的范圍內(nèi)。而獲得了90%馬氏體組織的零件， 在表2 的最低回火溫度下，硬度不會降低，再回火試驗(yàn)則可通過。

2.4 沖擊試驗(yàn)

對沖擊試驗(yàn)的最直觀的理解就是考察產(chǎn)品耐沖擊性的試驗(yàn)。 作為應(yīng)用方， 很多時候需要產(chǎn)品能具備承受一定的沖擊載荷， 尤其是在環(huán)境溫度較低時， 一般的鋼鐵材料可能會出現(xiàn)冷脆現(xiàn)象。 作為標(biāo)準(zhǔn)的緊固件 （5.6 級、8.8 級、10.9 級產(chǎn)品，公稱直徑大于等于16，總長度≥55mm），必須要保證低溫沖擊功≥27J。 （按照GB/T 3098.1—2010 中9.14 的要求： 在-20℃的溫度下，按照GB/T 229 的要求，將產(chǎn)品制成10×10×55 的中間帶v 形槽的長方體樣件，在2mm 的擺錘刀刃的沖擊下，樣品被沖斷所吸收的能量必須高于27J）。

能滿足這個條件的組織，仍然是經(jīng)過高溫回火，晶粒充分細(xì)化，晶間應(yīng)力最大消除的90%馬氏體組織。

本文圖2 中的產(chǎn)品， 實(shí)測低溫沖擊功在23J。

以上四項(xiàng)測試， 實(shí)際上是針對90%的馬氏體組織的要求，也是對材料的淬透性的要求。

3 對材料選擇的建議

在本文的一開始， 我們談到了添加合金元素是有效提高淬透性的方式，而GB/T 3098.1—2010 默認(rèn)了鉻、鎳、鉬、釩為主要的合金成分。 見該標(biāo)準(zhǔn)表2 腳注g。

表2 各規(guī)格產(chǎn)品及推薦的材料

那么， 各合金元素對材料的淬透性的影響又是如何的呢？

我們先得感謝各國的材料工程師們， 通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，得出下面一張直觀的統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 各合金元素對材料熱處理后性能的影響

在此基礎(chǔ)上， 我們對緊固件使用的材料的推薦是什么呢？

經(jīng)過業(yè)內(nèi)（以伍爾特工業(yè)集團(tuán)的供應(yīng)商為主）的多年的驗(yàn)證，表2 所列的材料，適用于相關(guān)的產(chǎn)品。

4 結(jié)論

螺栓螺釘類產(chǎn)品的材料， 除了依據(jù)GB/T3098.1—2010 表2，需要拓寬思路，以全方位滿足機(jī)械性能要求為前提條件。

本文推薦的材料不是唯一的選擇， 但各廠家不能僅考慮成本而犧牲機(jī)械性能降低合金元素的含量。