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2021年11月28日，由上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院董瀚教授領(lǐng)銜的高性能鋼鐵材料團(tuán)隊(duì)、河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司、七豐精工科技股份有限公司、舟山市7412工廠、江蘇冶金技術(shù)研究院、上海大學(xué)（浙江）高端裝備基礎(chǔ)件材料研究院、上大新材料（泰州）研究院等七家單位經(jīng)過一年多的聯(lián)合攻關(guān)，通過“材料生產(chǎn)—緊固件制造—服役評(píng)價(jià)”全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作，基于鋼鐵材料高性能化理論，利用龍鳳山鑄業(yè)生產(chǎn)的高純鐵原料成功研發(fā)出超高強(qiáng)度緊固件用B17.8及B19.8鋼，形成了16.8級(jí)和19.8級(jí)緊固件制造技術(shù)。


16.8和19.8級(jí)緊固件實(shí)物


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什么是高強(qiáng)度螺栓？
高強(qiáng)度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓，英文簡(jiǎn)稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說的高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓的簡(jiǎn)稱。在日常溝通中，僅僅是簡(jiǎn)略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個(gè)詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對(duì)高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。


誤區(qū)一：
材料等級(jí)超過8.8級(jí)的螺栓，就是“高強(qiáng)度螺栓”？


高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強(qiáng)度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。


實(shí)際上在英標(biāo)規(guī)范，美標(biāo)規(guī)范中提到的高強(qiáng)度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級(jí)和10.9級(jí)兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6、5.6、8.8、10.9、12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強(qiáng)度高低并不是區(qū)別高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。




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高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)在哪？


按照GB50017，計(jì)算單個(gè)普通螺栓（B類）8.8級(jí)和高強(qiáng)度螺栓8.8級(jí)抗拉及抗剪強(qiáng)度。




通過計(jì)算我們可以看到，相同等級(jí)的情況下，普通螺栓的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值都要高于高強(qiáng)度螺栓。


那么高強(qiáng)度螺栓，“強(qiáng)”在哪里？


為回答這一個(gè)問題，必須從兩種螺栓的設(shè)計(jì)工作狀態(tài)入手，研究其彈塑性變形的規(guī)律，并理解到設(shè)計(jì)破壞時(shí)的極限狀態(tài)。


普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓工作狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變曲線


設(shè)計(jì)破壞時(shí)的極限狀態(tài)


普通螺栓：螺桿本身發(fā)生超過設(shè)計(jì)允許的塑性變形，螺桿被剪壞。


普通螺栓連接，開始承受剪力前連接板間就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，繼而螺栓桿和連接板接觸，發(fā)生彈塑性形變，承受剪力。


高強(qiáng)度螺栓：有效摩擦面間的靜摩擦力被攻克，兩塊鋼板發(fā)生相對(duì)位移，設(shè)計(jì)考量上即為破壞。


高強(qiáng)度螺栓連接，摩擦力首先承受剪力，當(dāng)荷載增大到摩擦力不足以抵抗剪力，靜摩擦力被攻克，連接板發(fā)生相對(duì)滑移（極限狀態(tài)）。但此時(shí)雖然破壞，但螺栓桿與連接板發(fā)生接觸，依然可以利用其本身的彈塑性形變，承受剪力。


誤區(qū)二：
承載能力高就是高強(qiáng)度螺栓？


由單個(gè)螺栓的計(jì)算可知，高強(qiáng)度螺栓抗拉和抗剪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度均低于普通螺栓。其高強(qiáng)實(shí)質(zhì)是：正常工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)不允許發(fā)生任何相對(duì)滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點(diǎn)剛度大。


可見，在給定設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)荷載的情況下，用高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)并不一定能節(jié)省螺栓使用數(shù)量，但是其變形小，剛度大，安全儲(chǔ)備高。高強(qiáng)度螺栓適合用主梁，等要求節(jié)點(diǎn)剛度較大的位置，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱桿件”的基本抗震設(shè)計(jì)原理。


高強(qiáng)度螺栓之強(qiáng)，并非在于其本身的承載能力設(shè)計(jì)值，而是表現(xiàn)于其設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的剛度大，安全性能高，抗破壞的能力強(qiáng)。


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高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的對(duì)比


普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓由于其設(shè)計(jì)的受力原理不同，其在施工檢驗(yàn)方法上有極大的區(qū)別。




同等級(jí)普通螺栓各項(xiàng)機(jī)械性能要求均比高強(qiáng)度螺栓略高，但高強(qiáng)度螺栓較普通螺栓多一項(xiàng)沖擊功的驗(yàn)收要求。




普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓的標(biāo)示是對(duì)同等級(jí)螺栓現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別的基本方法。由于英美標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于高強(qiáng)度螺栓扭矩值計(jì)算的取值并不相同，所以識(shí)別兩種標(biāo)準(zhǔn)的螺栓也有必要。


高強(qiáng)度螺栓：（M24，L60，8.8級(jí)）




普通螺栓：（M24，L60，8.8級(jí)）


可見普通螺栓大約為高強(qiáng)度螺栓價(jià)格的70%，結(jié)合其驗(yàn)收要求的對(duì)比，可以得出，其溢價(jià)部分就應(yīng)該是為了保證材料的沖擊功（韌性）性能。


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如何提高螺栓疲勞強(qiáng)度
無論承受什么復(fù)雜的載荷，高強(qiáng)度螺栓的常見失效形式就是疲勞失效。早在1980年有專家研究了200例螺栓連接的失效，其中50%以上是疲勞破壞。提高高強(qiáng)度螺栓的抗疲勞性能至關(guān)重要。
螺栓疲勞斷裂具有以下特征：
1.　疲勞斷裂的最大應(yīng)力遠(yuǎn)比靜應(yīng)力下材料的強(qiáng)度極限低，甚至比屈服極限低。
2.　疲勞斷口均為無明顯塑性形變的脆斷性突然斷裂。
3.　疲勞斷裂是微觀損傷積累到一定程度的結(jié)果。

對(duì)于螺栓，其失效形式主要是螺紋部分的塑性形變和螺桿的疲勞斷裂，其中：
65%的破壞發(fā)生在與螺母聯(lián)接的第一個(gè)螺牙；


20%的破壞發(fā)生在螺紋與光桿的轉(zhuǎn)變處；


15%的破壞發(fā)生在螺栓頭與螺桿過渡圓角處。





01
優(yōu)化設(shè)計(jì)減小應(yīng)力集中

嚴(yán)格控制螺栓的收尾尺寸消除應(yīng)力集中:
a. 采用較大的過渡圓角
b. 切制卸荷槽

c. 螺紋收尾處切制退刀槽
d. 優(yōu)化螺栓的頭下傾角也可以有效減少應(yīng)力集中


e. 采用加強(qiáng)型的螺紋
加強(qiáng)型螺紋與普通螺紋的主要區(qū)別在外螺紋的小徑d1和牙根過渡圓角R。
加強(qiáng)型螺紋的主要特點(diǎn)是小徑d1較普通螺紋大些，牙根過渡圓角半徑增R大，減小螺栓的應(yīng)力集中，且對(duì)R有具體要求：R+=0.18042P，Rmin=0.15011P，其中P為螺距,而普通螺紋無此要求,甚至可以為平直段。




02
改善制造工藝

加強(qiáng)控制螺栓的制造過程中熱處理和表面處理工藝可以有效提高螺栓的疲勞。
a. 熱處理
螺栓先熱處理后滾絲成型，這樣在螺栓的內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，從而減緩裂紋的形成及發(fā)展，因而提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。
其中熱處理時(shí)還應(yīng)防止脫碳現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)比無表面脫碳和有表面脫碳情況下螺栓的疲勞強(qiáng)度。
脫碳層由于碳被氧化，金相組織其滲碳體的數(shù)量較正常組織少，因此在力學(xué)性能上其強(qiáng)度或硬度較正常組織低。
通常存在表面脫碳情況下螺栓的疲勞強(qiáng)度下降19.8%。
b. 磷化
螺栓表面磷化處理是為了防銹及穩(wěn)定裝配時(shí)的摩擦。
但是磷化處理同時(shí)也可起到減磨作用。
在滾絲過程中降低滾絲輪螺紋和螺絲螺紋之間的摩擦力，這對(duì)滾絲后螺栓螺紋上的應(yīng)力分布及降低螺紋表面粗糙度都將產(chǎn)生積極作用。


03
設(shè)置適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力

普通螺栓聯(lián)接的螺桿拉力主要被最前面的三牙受力螺紋承受。
當(dāng)初始預(yù)緊力足夠大時(shí)，會(huì)使部分螺紋根部局部進(jìn)入塑性變形，同時(shí)在這些螺紋根部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。
螺紋根部產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力，能提高螺紋的疲勞強(qiáng)度。
同時(shí)塑性變形后的螺紋還能改善螺紋受力分布，使螺紋牙上的接觸壓力變小。
由此也提高了螺紋的疲勞強(qiáng)度。
預(yù)緊力越大，螺栓聯(lián)接抵抗聯(lián)接分離的能力越大，抵抗預(yù)緊力松弛的能力越強(qiáng)。
同時(shí)螺栓聯(lián)接的實(shí)際有效疲勞強(qiáng)度也越大。
因此，增大螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力， 利于提高螺栓聯(lián)接抵抗循環(huán)外載作用下疲勞失效的能力，使螺栓聯(lián)接在振動(dòng)沖擊力與有限超載作用下產(chǎn)生疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)變得更小。

高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度等級(jí)區(qū)分及數(shù)字的含義