2022年2022年紧固件材料的选择 .pdf

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1、紧固件材料的选择2003年美国紧固件研究所 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 目录简介 .2基本思路 .3紧固件的特性 .6螺母的机械性能 .9碳钢紧固件 .10外螺纹紧固件的等级系统.12内螺纹紧固件的强度等级系统.13不锈钢紧固件 .14铜合金紧固件 .18铝合金紧固件 .19镍合金紧固件 .21钛合金紧固件 .22超耐热不锈钢 .22非金属紧固件 .24附表 25 2003 美国工业紧固件

2、研究所 1名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 简介 在众多的铁制材料、 合金或者塑料中选择正确的材料去制造紧固件通常看来也许是个令人头痛的工作。但在实践中却并非如此。任何一个对材料的基本特性、功能以及局限性有着适当认知的工程师都不应当觉得寻找适合工作环境的材料是一件极为困难的事。 比方说，如果紧固件的主要功能是提供强度，那么就应当考虑选取钢。 如果紧固件需要在腐蚀性的环境中工作，那么工程师也许首先

3、要考虑的是采用有涂层的钢；如果环境对紧固件的要求极为苛刻，那么就应该考虑不锈钢或者某种非铁合金。 如果透磁性很重要， 那么应当考虑奥氏体不锈钢、 铝合金、铜合金，或者塑料。如果要求有较高的导电性能，则转用铝和铜。反之，如果主要考虑的是紧固件的绝缘性，那就要采用非金属材料。 如果要减轻紧固件的重量，铝制材料是首选。如果在减轻重量的同时还要求紧固件有较高的强度，那就要考虑采用钛金属了。 如果紧固件是在高温或者低温的环境下工作，就需要考虑采用不锈钢，或者超耐热不锈钢。 设计者并不需要是一个老练的冶金师，他的责任是评估出紧固件的预定工作环境，然后确定满足要求的紧固件应有的设计参数。在此种情况下，基本材

4、料的选择范围就变得很狭小了。 每一种基本材料，例如碳素钢，通常都含有大量的由多种化学成份构成的混合物。这些混合物可以被选作紧固件特有的原料。对这些原料进行制造技术和工艺上的适当调整，就有可能生产出满足所有要求的紧固件。 工程师不必精通所有细节方面的选择，但紧固件的制造者们却应当如此。这使得那些紧固件的制造者们成了对材料进行优化选择的最佳人选。如果设计工程师定义了必要的执行步骤并给出了基本材料，那么剩下的材料的最终选取则应当由制造者去完成。工程师所要尽到的责任是实现最大的经济效益。生产者的权限越宽泛，他就越能有效地利用手中的设备和加工技术。紧固件的成本与制造者所允许采用的材料息息相关。过多的限定

5、会遏止创新的产生从而减少竞争，但得到的后果却是成本的增加。 2003 美国工业紧固件研究所 2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 基本思路 在这一点上， 大略地了解一些影响紧固件材料选择的重要设计思路是非常有用的。 强度 它是唯一的一种不需要紧固件提供或传递一些外部载荷的工作要求。当设计者仅考虑紧固件的强度时，便无须选择钢之外的其它材料了。钢是目前最为经济且通用的材料。事实上，当一些特殊的要求提出

6、后，除了钢之外，原料的成本是左右材料选取的唯一因素。 低碳钢紧固件的指定最小抗拉强度为60，000psi；经过热处理后的中碳钢紧固件为 120，000psi；低合金钢为150，000psi或者更高。而一些超耐热不锈钢则达到 260，000psi 甚至更高的强度。让紧固件的强度超过400，000psi 在技术和工艺上来讲是可能的。然而设计和应用这样的紧固件并不是供那些外行娱乐的游戏。在除了航天业之外的大多工程领域的应用中，我们很少需要考虑抗拉强度超过180，000psi 的紧固件。 奥氏体、铁素体，和马氏体三种基本类型的不锈钢，它们分别具有明显不同的强度特性。奥氏体类型中如303、304、305

7、、316 和 321型，它们是不可热处理的。但是，由这种材料制成的紧固件可以通过冷加工和拉拔硬化技术来改善强度。大致来说，此种类型的紧固件退火后的抗拉强度为75，000psi，而经过冷加工处理后的可以上升到90，000psi。而当采用拉拔硬化技术时，其强度可达125，000psi，这个强度在很大程度上还取决于紧固件的尺寸大小。铁素体类型的不锈钢如430 和 430F 型，它们 70，000psi 的抗拉强度是不因热处理而变化的。马氏体类型的不锈钢如 410、416和 431 型，由它们制成的紧固件是可以进行热处理的，强度可高达 180，000psi。 从数量上看，铝制紧固件是在非铁制紧固件中生

8、产的最多的。铝制紧固件具有理想的强度特性。 另外，它们的重量很轻，有较高的强/ 质比；在大多环境中有着良好的耐腐蚀性， 极为优秀的热、电传导率；以及在低温下良好的伸缩性。而事实上，许多紧固件就是采用铝合金制造并生产的。铝合金的抗拉强度由纯铝的13，000psi起，到目前广泛使用以制造紧固件的2024和 7075型铝合金的 60，000psi 不等，但很少有超过 60，000psi 的。 对于铜基合金(黄铜和青铜)，热处理是无效的。铜制紧固件强度的改善仅能通过对其原料的冷加工获得。但是，由于许多铜合金在成型之后要马上进行应力释放以消除脆性，它们的强度通常与那些基本合金相当。典型的抗拉强度范围由N

9、O.462的海军黄铜(Naval Brass) 的50，000psi 起到 NO.630铝青铜的 105，000psi 不等。镍基合金有着极佳的强度特性和良好的防腐性以及韧性。它们在高温或者下，有着其它合金无法比拟的功能特性。镍合金仅仅是因为昂贵的造价才使它们的广泛应用受到了局限。在工业紧固件中，最常被指定使用的是镍铜合金 (如蒙耐合金-Monel) 它具有80，000psi的抗拉强度。还有镍铜铝合金(如KMonel) ，经过热处理，它的强度可以接近130，000psi。 2003 美国工业紧固件研究所 3名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -

10、 - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 钛，由于它极高的强/ 质比，使得它在航天业、导弹制造业以及一些化工仪器的设计中得到了广泛的应用。它优越的性能弥补了价格昂贵的不足。钛合金Ti-4Mn-4Al ，Ti-6Al-4V制成的螺栓抗拉强度可达150，000psi。而另外一些紧固件则有可能达到 200，000psi 甚至更高。 有许多有效的理由认为非金属材料是工程应用原料理想的选择。但事实上它们却被用的很少，原因在于它们的强度。与那些金属材料比起来，塑料制的紧固件还不够结实。尽管如此，令人惊

11、讶的是: 一些塑料的强/ 质比可以和低碳钢相媲美。最好的塑料，包括广泛应用的尼龙，可以具有10，000psi 的抗拉强度。 腐蚀 腐蚀是金属在其工作环境中逐渐变质的一种现象。腐蚀是潜移默化地进行的，它造成了大量浪费，而且控制腐蚀的花费极高。腐蚀经常是导致紧固件失效的直接原因。美国工业及其消费者每年因腐蚀现象要损失几百万美圆，显然这样的损失是无可挽回的。 在做紧固件的应用分析时， 设计者首先要考虑的问题之一即是紧固件将会在什么样的环境中工作?紧固件是否有受到腐蚀的可能?答案很少是否定的。这就要求设计者去识别紧固件的暴露特点，预期可能出现的后果，并给出有效的对策。 由于腐蚀现象的重要性不光是暴露在

12、空气中的腐蚀还有电解腐蚀、高温氧化腐蚀， 压力脆化腐蚀等多种腐蚀， 我们在 B-34 页详细地讨论了这个问题。 尽管如此，在这一章中大概了解一下也是很有益的。 钢制紧固件的一些电镀层或涂层在其暴露在空气中时能起到很好的保护作用。大致来讲，电镀层或涂层越厚，防护的效果就越好。对于有较厚电镀层的紧固件如镀锌的，对其螺纹咬合部分的螺纹尺寸做一些适当的调整以确保安装是很有必要的。但随着紧固件外螺纹部分的强度增加，它们对应力腐蚀脆化的敏感性也增加了。硬度超过 HRC39 的钢制紧固件给设计者们带来了不小的麻烦。 若干年前，一个新的钢种问世了，它们在空气中有极好的防腐性能。如今，这些材料被广泛地应用于一些

13、暴露性建筑中，如桥梁、楼房、灯塔。比较常见的屋檐钢，这种低合金钢中含有一个重要的组成部分就是铜。当它暴露在空气中时，铜可以促使它形成一层氧化薄膜以防止腐蚀。随时间的推移， 这层薄膜会变得更加牢固，能更有效地抵御外来的侵蚀。 在更严重的腐蚀环境中，例如海运、化工厂、造纸厂，和提炼厂，即使是电镀过或者有涂层的钢，也不可能完全适用。这便需要考虑不锈钢或者非铁合金了。有很多种选择，每一种都有其独特的抗蚀特性。在大多情况下，它们都会起到必要的抗腐蚀作用。尽管如此，在偶尔场合中能很好实现其功能的合金，供选的仅有那么一两种。比如 316 类型的不锈钢在与铬酸接触时，表现出了良好的抗蚀性。但另外的一些不锈钢铜

14、、 铝，以及镍制合金却不行。在B-46 页的腐蚀方面简介中，给出了实用说明。 腐蚀可以来自多种途径。通常抗腐蚀的有效对策有几种有效选择，任何一种类型的腐蚀都是设计者不应当忽略或者随意处理的。设计者应当仔细思考问题，当对最佳方案有任何疑问时，应当向有经验的冶金师请教。 2003 美国工业紧固件研究所 4名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 高温 大多数材料对温度都是敏感的，并且它们的特性随温度的升降而

15、改变。温度上升对紧固件的主要影响是导致其强度性能的下降。当温度足够高时大概500F左右，其它问题开始出现: 包括镀层被破坏、高温氧化和/ 或高温腐蚀、膨胀系数失调、粘连，和磨损。 几乎没有一种非铁制材料可以适应高温的工作环境，非金属材料则更不在考虑范围之内。因此，从中碳钢到超耐热不锈钢的铁制材料，是我们的主要考虑范畴。当工作温度达到450F 时， 比较经济的中碳钢和超耐热不锈钢紧固件将会表现出良好的性能以满足要求。当温度超过了450F 而达到 900F 左右时。就应当选用不锈钢，或者 AISI4100，8600 和 8700系列的铬-钼合金(这些合金上涵盖在ASTM A193/A193M ，和

16、 A194/A194M 中)。以上的合金在 B-114 和 B-126 页有详细介绍。 当温度更高时，就要使用一种特殊研制的抗热合金了。 A-286和 Inco718(详见 B-28 页)在1200 F 高温下展示了良好的强度性能。并且，镍钴合金，如M252 ，Rene41 ，Waspalloy和 Udimet 都可以承受 1600 F 的温度。一旦超过这个温度，设计者就必须转而采用一些难熔金属了，它们的合金成份中有大量的钶、钼、钛，或者钨。一些钨合金在超过 3000 F 的高温下仍能保持良好的性能。 在高温下，金属除了强度的下降， 也许最严重的问题就是镀层和涂层的松脱了。比方说，常规的镉镀层

17、在超过450F 的温度下就会开始熔化。 在更高的温度下， 采用高含量镍的镀层可以提供有效的防腐保护。重要的是，它还可以减轻粘连和磨损。温度到 900F 以上至 1400 F 左右时，银镀层可以起到很好的防护作用。温度如果更高，就难以找到可以坚持足够长时间而不失效的镀层了。 幸运的是在所经历过的实际应用中，超过 900F 的持续高温环境是很少见的。尽管如此，设计者们如果碰到这些非常特殊而又复杂的问题，应当毫不犹豫地去向资深的冶金师求教。 低温 在北方的气候中，气温有时会跌至-30F。这时大多数金属紧固件的功能是能够满足应用的。 但长期暴露在零下的环境中，紧固件的特性会有所改变。 大体上讲，随温度

18、的下降，大多数金属的抗拉、屈服，抗剪强度都会有所上升。但同时，它们的延展性和韧性却都有所下降，这让紧固件变得很脆。因此，如低碳钢一类对缺口很敏感的金属是不适合被应用于低温环境的。 在 B-104 页中，我们列举了 ASTM A320/A320M 的一系列合金。它们在低温下都有良好的性能。AISI 4140和 4037 适合在温度不是很苛刻的空气中工作。而高镍的AISI 4340 和 8740则可以在-100F的低温下工作。奥氏体不锈钢在低温下将展示出良好的性能。 其它的可以被广泛应用于低温环境中的材料还有铝 2020-T4 、多种钛合金、某些紫铜或黄铜，甚至还有一两种非金属材料如特氟纶 (Te

19、flon) 。 随着航天时代的到来，为了制造出推进装置中装载液化气的容器，适用于 -250F 到-450F 冷冻温度的紧固件被研究并发展。可以想象，研制并测试适用于如此低温的紧固件是花费庞大并且十分困难的。不幸的是，合金的功能特性在冷冻条件的低温下是无法预知的，而且每一种待选合金都需要对其进行单独研究。目前已经2003 美国工业紧固件研究所 5名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 证实了可用的合金有

20、：国际镍业公司（ Inco）的718 合金、尤尼滕普耐热合金（Unitemp）212、雷尼合金（Rene ）41、和沃斯帕洛伊合金（Waspalloy）。有趣的是：那些在低温下有着良好性能的合金在极高温度状态下的表现同样也是最出色的。 成本 原料的成本相当于紧固件成品制造成本的20% 80% 。目前为止， 最便宜的是低碳钢。随碳含量和合金元素含量的增加，钢的成本也增加。尽管如此，中碳钢和低合金钢仍然比其它金属材料便宜几倍。比方说：在多数钢的价格中，以中碳钢的价格总和为基数，不锈钢（含300 多类）是它的 2.5 倍；铜合金为 5 倍；铝合金为 6倍；A-286 为 16 倍；蒙耐合金（MONE

21、L）为20 倍，钛金属则为75 倍，而耐低温超耐热不锈钢则是它的100 倍！ 工程师在设计中要注意原料的成本问题。要选择满足功能特性要求的必要材料，而不是越贵越好。 紧固件的特性 物理、机械以及功能上的特性构成了满足紧固件各种工作要求的特性。 物理特性是原材料的一种内在属性。它在制造紧固件的过程中是不变或者仅有很小改变的。如密度、热膨胀系数、电阻、热传导率，透磁性等。这样的一些重要的物理特性往是紧固件的选择的决定因素。 机械特性是紧固件对其外加负载的种种反应，很少有紧固件的机械性能与其制造原料是一样的。 抗拉强度 、屈服强度、硬度和延展性这些特性的巨大变化取决于选择什么样的制造方法和热处理工艺

22、。原料的选择建立在特性的平台之上。最终，紧固件的机械综合特性在制造过程和热处理后的加工过程中形成。 功能特性是紧固件满足各种工作需求的功能设计特性，它在制造过程中得以体现。如自锁性能、主力矩、密封特性、驱动力矩等特性是在对其外型制造和尺寸控制的过程中获取的。材料的选择以及其冶金处理方法更多影响的是紧固件的强度等级，而不是使紧固件具有某个特殊的功能特性。 材料的物理特性将在这篇文章后面的回顾中单独讨论。而功用特性将在产品标准中进行讨论。所以，现在是时候让我们简要地认识一下紧固件机械性能的重要性了。 机械特性 机械特性大致上是指一个紧固件的强度特性，和它所能承受各种表面载荷的能力。 每一种已经确定

23、其金属材料机械特性的紧固件，其强度等级都被很好地标准化并发表在一系列文档中。其中应用最广泛的标准由美国材料实验协会（ ASTM ）、美国汽车工程师协会（SAE ）、国际标准化组织（ISO ）、美国工业紧固件研究所（IFI ）所发表。 最好的资料是 B-204 页中介绍的 ASTM F606 ，它对用于确定材料机械特性的测试程序同样制订了详细的标准。 2003 美国工业紧固件研究所 6名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 29 页 - - - - - - - -

24、- 紧固件材料的选择 抗拉强度 抗拉强度是紧固件在其断裂前所能承受的最大载荷，或者说是使其断裂的载荷。通常采用“应力”这一术语来表达抗拉强度即每平方英寸上的磅值。将应力换算为以磅为单位的压力，需要将应力乘以受力区域的面积。正如ASME B1.1 （A-36 页到 A-38 页）的表格 1、2和 3 中所给出的一样。 对紧固件的整体尺寸做抗拉测试非常容易，而且这种测试对于指定抗拉强度为100，000psi或更小的外螺纹紧固件产品也是非常实用的。大多数制造商都有测试设备至少有测试能力。对于强度更高的紧固件，则需要采用测试样本的方法。样本，是从紧固件上切取而用于实验的一小片。切取样本尺寸大小也在AS

25、TM F606 中做了详细的规范。 六角螺栓和螺钉、 六角法兰螺钉、六角凹头螺钉和双头螺栓需要进行楔向测试，而其它外螺纹的螺栓，螺钉在测定其抗拉强度时则需要进行轴向抗拉测试。 在楔向抗拉测试中， 在待测的紧固件头部下面放置一个有斜面的垫片（华司），或者在安装好的螺母下置一双头螺栓。当有载荷加载时，楔向行为导致很强的弯曲应力集中在头部与杆的接合处。若要通过测试，紧固件必须能够提供最小的指定抗拉强度而不失效。另外，当有断裂发生时，断裂处不能是头部与杆的接合区域。楔向测试的目的是验证紧固件的延展性能以及头部与杆关键处结构的完善性。楔度角由 4到 10不等，大小取决于紧固件的尺寸、头型和螺纹与头部的距

26、离。 屈服强度屈服强度是紧固件达到一定的永久变形时所承受的拉应力。换言之，材料的应力范围已经超过了其弹性变形区而进入塑性变形区。 由于样本在受力方向上的每一段，应力都是十分均匀的。因此，机械测试样本的抗拉强度是很容易确定的。不幸的是，由于样本在从母体中取下的时会丧失冷加工形成的有利影响，屈服强度测试不总是能真实地反映出全部尺寸紧固件产品的特性。测试整个螺纹紧固件的屈服强度极为困难，因为螺旋部分、过渡部分，以及没有螺纹的光滑部分的拉伸率是各不相同的。由于这个原因，更为简单且实用的“实验载荷”应运而生了。 实验载荷实验载荷是一种拉力载荷。 在实验种载荷下， 受力紧固件不能有永久变形迹象。对实验而言

27、，实验载荷是一个确定值；而对应用设计而言，它是一个作限定用的最大值。 测试程序为： 测量整个紧固件的长度， 然后加载实验载荷， 持续几秒钟， 卸载，再次测量紧固件的长度。 为了能通过测试，紧固件卸载后的长度必须以原长为基准，在一个实验所允许的公差带内变化。没有永久的塑性变形也就证明紧固件的应力没有超过其屈服强度。就大多数紧固件的强度等级而言，实验载荷大约是紧固件材料预计最小屈服强度的 90% 93% 。由于实验强度十分接近而又未超过屈服强度，实验载荷常常在接缝分析和材料选择中作设计值。 硬度 硬度是金属材料抵抗刮伤或刻入能力的一种度量。 将紧固件硬度作为一个指标的重要性在于硬度测试是一种快速、

28、简单，而2003 美国工业紧固件研究所 7名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 又不具破坏性的测试。对碳钢紧固件而言，其硬度和抗拉强度之间有紧密的对应关系。而对于非铁制材料来说，它们的硬度和强度的关系类似于碳钢但不如碳钢那样精确。紧固件的硬度通常用术语Rcokwell（洛氏硬度 HR ）、Brinell （HB ）或者ickers （维氏硬度金刚锥硬度）来表达。其中洛氏硬度分若干个大类（ A、B、C

29、 、15N 、30N ）而布氏硬度和维氏硬度只有一类。钢的硬度与抗拉强度值的对应关系及换算表在N-38 页的 ASTM A370 和 SAE J417中给出，表格 1 摘录了碳钢紧固件最常见的强度系列对应的硬度值。 在大多数紧固件的强度等级标准中，都指定了基本金属材料的硬度系列。最小硬度对应最小的抗拉强度；最大值则达到了令紧固件变得很脆而有可能无法被接受的程度。在例行的硬度测试中，测量区域在紧固件产品的顶端、光杆处、或者末端。当有必要进行仲裁测定时，测量区域为距产品末端一个直径处的截面中径。 对于淬火和锻造过的钢，通常要测量其螺纹部分的表面硬度。并将此硬度与芯部硬度进行比较。一个惹人注意的低表

30、面硬度意味着有“去碳化”现象的存在碳成份在热处理过程中流失而导致紧固件表面变软；如果表面的硬度大于芯部，那么明显的，就有渗碳的可能。紧固件的表层比内部更硬，因此也更脆。以上这两种情况在实际应用中都有导致紧固件性能不良的风险。 延展性 延展性是金属在断裂前的变形能力。一个橡皮圈是可延展的，而玻璃就不是。普通的延展性计量标准有伸张率、弹性、表面伸缩率、变形量。测量待测机械样本的每一种特性都是非常简单的。尽管如此，当测量整个紧固件时，这个标准就会变得没有多大意义。因为正常情况下屈服现象以及最终的断裂都会发生在螺钉的螺纹处。衡量螺纹段的伸长率和截面收缩率是不实用的。当一个紧固件有令人满意的延展性时，它

31、有两个最具意义的标志：一个是其硬度不超过最大的指定值；另一个是它通过了楔向抗拉强度测试。 对于一个紧固件的延展性而言，一个有效的特征值就是最小指定屈服强度和最小抗拉强度的比值。比值越小，紧固件的延展性就越好。随比例的增大，延展性也逐渐降低。 韧性 韧性是金属承受撞击或震动的能力，用来衡量韧性的是冲击强度。测量冲击强度时，采用可控的强度去快速冲击标准测试样品，而测得值的大小由测试样本所吸收能量的大小决定。 对于非航空类紧固件而言，很少将冲击强度作为它们的指定要求。值得注意的是，在 ASTM A320/A320M 中，用于低温环境的碳钢紧固件却是个例外。 抗剪强度 抗剪强度是紧固件在断裂之前所能承

32、受的最大垂直于轴向的载荷。单剪切是指作用在一个横截面上的切向载荷，因此，它将紧固件切为两半；双剪切则是作用在两个横截面上的切向载荷，它将紧固件切为三段。 对航天类紧固件来说，进行抗剪强度的测试通常是一个指定要求。而对于除了输电线塔螺栓和盲铆钉之外的工业紧固件则是不需要进行抗剪强度测试的。 盲铆钉抗剪强度的测试有很规范的标准程序，而且统一使用单剪切装置；而对于螺纹类紧固件，虽然多采用双剪切装置， 但测试程序就不是那么好确定的了。因为不幸的是，2003 美国工业紧固件研究所 8名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心

33、整理 - - - - - - - 第 9 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 测试装置的变化会导致抗剪强度的测量值的重大变化。结果是：当需要进行测试抗剪强度时，供应商和购买者必须就如何测量达成共识。 单凭经验来讲，碳钢的抗剪强度被认为是其指定抗拉强度的60% 。例如，一个SAE 5级六角铜螺钉的最小指定抗拉强度为120，000psi，则可以认为它的抗剪强度为 70，000psi。当受剪截面通过无螺纹区域时，受剪区域用紧固件的公称直径进行计算；当受剪截面通过螺纹区域时，受剪区域用牙底直径进行计算。以上牙底直径在 ASME B1.1的表 1、2、3 中给出。 抗

34、扭强度 抗扭强度是一种载荷，通常采用术语“扭矩”来表示。扭矩是指以紧固件轴心为轴扭转致使紧固件失效的力矩。另外需要强调的是，紧固件的受绞面或者驱动凹槽在驱动紧固件扭转时，不能有工具和紧固件的接触面被破坏而导致驱动力矩无法向内部传递的情况发生。 攻牙螺钉是唯一一种对抗剪强度作指定要求的工业紧固件。疲劳强度 疲劳强度是指紧固件在其断裂之前所能重复承受指定次数的最大载荷。 外加负载的大小和循环次数与紧固件的失效有必然的联系。显然，对于一个静态连接点的失效，其疲劳强度等于它的静抗拉强度；而对于交变载荷而言，载荷的减少使紧固件承受载荷的循环次数增加，直到达到其疲劳强度范围的另一极端这一极端被认为是紧固件

35、可以承受无穷次的循环载荷。 航空类紧固件通常是要评估疲劳强度的，而商业或工业紧固件在实际应用中却不做要求。主要理由是测试极为困难和费用昂贵。并且更重要的是：事实上，测试环境与实际应用中的环境并无多大联系。 疲劳强度测试作为一种测试技术还具有一些其它的意义，它把许多紧固件设计中的相关特性比做抗动态载荷的能力。 螺母的机械性能 实验载荷 实验载荷是一种轴向外加负载，在这种载荷下，螺母不能有螺纹剥落或者断裂的迹象。对于测试而言，实验载荷是一个数值；而对于设计中的应用而言，实验载荷是一个最大限度。 在测试中， 实验载荷通过已做轴向加载的测试螺栓或者机床心轴加载到待测螺母上。当载荷卸去时，螺母必须能自由

36、地从螺栓或者心轴上卸下。后一点要求非常有趣，因为它证明螺纹被扭曲的程度还不足以使咬合的螺纹粘结在一起。测试表明，当外加载荷达到使螺纹剥落程度载荷的95% 时，就会发生螺纹粘结的现象。 螺母的实验载荷在大多数螺母强度等级标准中采用“应力”这一术语表示磅每平方英寸。 在以磅为单位计算真正的实验载荷时，要用实验应力（ psi ）与受力面积相乘。 最后非常重要的一点：实验载荷除了在普通应力区域外，与那些指定的外螺纹紧固件是毫无关联的。 锥度实验载荷 锥度实验载荷是一种螺母必须承受的轴向外加载荷，且螺母在承受载荷的过程2003 美国工业紧固件研究所 9名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

37、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 中，不能有螺纹剥落或内壁破裂的现象。在测试中，螺母被安装在一个经硬化处理过的具有120角的锥形垫片上。放置锥形垫片的目的是在螺母轴向受力时产生一个使其内壁扩张的强烈作用。如果螺母没有通过测试，通常是由于内壁破裂而不是螺母剥落。 用于高温环境的涵盖在ASTM A194 中的螺母， 都要进行锥向实验载荷测试。另外，螺母不连续表面承受极限的标准中定义了对有接缝的螺母要进行锥向实验载荷测试。通过测试则意味着螺母上的接缝

38、还未达到影响螺母工作功能的程度。对螺母的锥向实验载荷的计算还可以用其指定轴向实验载荷乘以系数（0.31D ）。其中 D是螺母的公称直径，以英寸为单位。 锥向实验载荷测试是目前来讲用于识别不合格螺母的最好测试方法，并且它将作为一种可行性要求直到更好的识别技术问世。 硬度 对螺母来说，硬度是一项重要的机械性能。不仅在于硬度测试的便捷性，更重要的是，它是目前所知的衡量那些实验载荷超过普通抗拉强度测试机能力螺母可的接受性的唯一标准。不象外螺纹紧固件，对于钢制螺母或者其它金属材料的螺母来说，其硬度和强度并没有可定义的关联存在。原因在于由螺母几何尺寸带来的对螺母强度的可控性影响。 大体上，指定实验载荷小于

39、120，000psi 的螺母是可以进行实验载荷测试的。对于那些具有更高强度的螺母，则必须在它们参照一个最小硬度值的基础上进行测试。另外，螺母的强度等级要求所有尺寸和等级的螺母进行硬度测试以确保它们的硬度没有超过指定的最小值。这些对热处理过的螺母尤为重要，它能证明螺母已经进行了合适的加工以消除了任何可能的脆化。 碳钢紧固件 超过 90% 的紧固件采用碳钢制造。原因非常简单，碳钢有着极好的工作性能；强度特性可以通过多方面获得；并且与其它常用紧固件的材料相比，它的价格也很便宜。 大体上，碳钢在使用中可以分三个大类：低碳钢、中碳钢，和合金钢。 低碳钢 用于制造紧固件的低碳钢， 被定义为那些有着低碳含量

40、以利于对强度热处理工艺有可以预见性反应的碳钢。最常用的是AISI 1006、1008 、1016 、1018 、1021和1022 。这些碳钢有良好的工作性能，它们可以被硬化或者被焊接，它们还可以通过冷加工处理而持续改善其强度特性。 中碳钢 中碳钢是可以进行热处理的。这意味着通过冶金处理，紧固件的强度在处理完成后会大大提高。比较常用的是AISI 1030、1035 、1038 和 1541 。这些钢有良好的特性。随含碳量的增加，影响制造工具寿命的问题也增加了。为了补偿这一损失，在成型之前， 有时要在钢的预热处理工艺如标准化、球化时进行退火处理，但这样的处理又增加了成本。 2003 美国工业紧固

41、件研究所 10名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 由于热处理的效果仅由没有合金元素升压效应的碳含量决定。因此，紧固件最后的性能受尺寸影响。这意味着当采用相同的金属元素和相同的加工工艺时，随紧固件尺寸的增加，其强度性能会相应地下降。 在强度和成本这一基本关系中，每增加一个单元的成本，中碳热处理钢比其它已知的材料能提供更高的载荷承受能力。它们的屈-强比是所有热处理钢中最小的，这赋予它们极好的延展性。

42、 事实上，人们在评价这种钢时， 常常提及它的 “仁慈”，意思是说：这种钢具有沙袋一样的缓冲特性，以至于它可以承受各种工作冲击力的“摧残”。中碳钢在制造的便利性，优越的机械性能，以及低廉的造价上达到了诱人的平衡。 合金钢 当碳钢达到以下标准时，即被列为合金钢。包括等级中指定锰含量的最大值超过 1.65% ；硅含量超过0.60% ；铜含量超过0.60% 或铬含量低于4.0% （如果高于4.0% ，则达到不锈钢标准）；钢中含有指定最小含量的铝、硼、钴、钶、钼、镍、钛、钒、锆及为了达到指定效果而加入的一些特殊元素。事实上用于紧固件制造的合金钢有很多种。一些常用的有：（括号内为基本合金元素） AISI

43、1335（镁）、4037（钼）、4140 （铬， 钼）、4340 （镍， 铬，钼）、8637 （镍， 铬，钼）和8740（镍， 铬，钼）。 了解了合金元素对钢性能的影响，便可对它们的常用性做出合理的解释。 锰可以提供较高的强度。由于它可以在退火时增加硬化的渗透度，因此它能对钢的硬度进行合适的调整。锰还可以提高表面质量，但过量的锰会对钢的延展性和焊接性能造成不利的影响。 铜，当它的含量超过0.20% 时，有助于抗空气腐蚀性能的形成。 镍可以提高强度；改善钢在低温环境下的韧性；增强钢的抗腐蚀性能。并且它可以为热处理工艺调节钢的质量，以确保收到稳定的效果。 钼可以控制钢的硬度；减轻钢潜在的回火脆化现

44、象。而且钼还对钢高温时抗拉强度和蠕变强度的增加有很大影响。 硼可以增加钢的硬度，并且有助于提供低碳钢热处理效果的预知性。 两种或多种合金元素的结合，赋予了钢每一种元素的功能特性。在一些特殊情况下，几种合金元素对钢硬度的共同作用可以超过它们单独作用的总和。 在最近几年里，低碳马氏体钢通常是硼处理钢，获得了高度的认可。因为它们作为一种可选材料，提供了中碳钢和合金钢同样的强度。 由于低碳钢较低的碳含量，避免了成型或锻造前的预热处理（退火）。这让它们的工作性能提高；加工工具寿命延长；表面质量加强。常用的合金为10B18 ，10B21和 10B22还有稍微高碳的 10B30 。硼合金钢经济实用，但也并非

45、没有缺点。 因为它们较低的回火温度，当温度适当提高时，应力释放性能会下降。并且，紧固件的制造者必须在热处理过程中对其进行更严密的控制。因为它们的控制余量并不象处理富合金钢时那么宽裕。 如前面所提及的，另一族抗空气腐蚀的铜镍铬合金钢。这些钢中的成份为专卖2003 美国工业紧固件研究所 11名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 品并且大多数都是有商号的。 外螺纹紧固件的等级系统 对于外螺纹紧固件，有超

46、过1000 个不同标准的强度等级。每一种等级的紧固件都有其独特的机械特性，标号和标识印记以对应不同的需要。尽管如此，它们中很大一部分是做特殊用途的。因此，工程师只需要掌握很小的一部分稍有深度的知识就可以了。 应用最广泛的外螺纹紧固件强度等级系统是由美国汽车工程师协会制订的SAE系统。我们在 B-79 页详细地列出了其中的SAE J429 。这个系统包括了10 个等级，里面一一列举了从低碳钢的1 级到合金钢的 8级这八个等级。 SAE系统中最重要的等级在独立的ASTM 标准中，得以重复和扩充。它们是A-307 （见 B-90 页）、A449 （见B-97 页）、A354 （见B139页）、A32

47、5 （见E-28页）和 A490 （见 E-37 页）。表格摘录了 SAE和 ASTM 强度等级中主要部分的基本材料的机械性能，标号和等级标识印记。 标号 在 SAE系统中，等级被标号为1 到 8.2。这些数字与材料的强度特性没有定量的联系，只是数字越大，就表示材料的抗拉强度越高。小数点后面的数字表示相同的基本特性和材料或热处理工艺的变量。 ASTM 等级采用它们的文档号码进行编号。一些ASTM 标准采用不同的数字或者一个材料变量来描述两种或多种类型或等级。比方说： ASTM A235表示类型 1 和 3或相同材料做调整后的特性，如ASTM A307 等级 A和 B。 标识印记 在 SAE和

48、ASTM 标准中，对中碳钢和合金钢印制等级标识是一项强制性要求。唯一例外的是开槽和藏头螺钉，以及尺寸特别小大体上是指头部宽度小于1/4英寸以至于无法对其进行刻印的紧固件。另外一点很重要的是， SAE和 ASTM标准还要求所有的外螺纹碳钢紧固件进一步刻印标识印记来区分制造商。 标识印记是对购买方产品质量的最好保障。为了表征其强度特性和生产厂商，紧固件产品必须印有品质追溯和会计责任的标识。当有潜在的失效威胁存在，并需要对其负责时， 品质追溯行为足以鞭策任何一个优秀的厂商去对产品的整个生产过程做必要的监控。 对没有印记的螺栓和螺钉，要抱着怀疑的心态去审查。唯一明辩的假设就是此紧固件的强度性能仅为等级

49、所允许的最低限。如果产品没有标识制造商的印记，那么它不是在工艺上存在问题，就是非北美地区公司制造的产品。 更高的强度等级？ 研究过 SAE和 ASTM 标准后，我们需要指出的是：在这两种系统中，均编制了指定最小抗拉强度为150，000psi 的等级。添加更高强度的等级这一设想一次又一次地被提出来。并且，这样等级的紧固件已经在商业上流通了大多为专卖品。然而，每一次建议在提案上都是有疑义的：怕的是设计者也许会在尚未完全弄2003 美国工业紧固件研究所 12名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -

50、- - - 第 13 页，共 29 页 - - - - - - - - - 紧固件材料的选择 清潜在危险的情况下，就去选择一个未知的、更高强度的紧固件。 当材料的抗拉强度超过180，000psi，随之而来的是超过HRC40 的硬度。大量研究以及一些不幸的失效经验表明，除非在制造过程中如制造凹头螺钉和航空类紧固件有特别的预警测量，硬度超过 HRC39 的紧固件都有压力脆化以至失效的潜在危险。随指定抗拉强度的增加，硬度也增加，这使得它们的材料分析和热处理的选择方法变得更有争议。尽管有一些老资格的生产厂家有着必要的技术，但更多的是没有。 其它强度等级 在 ASTM 标准中涉及到的外螺纹碳钢紧固件中，