129级及以上高强度螺栓研发及其工程应用研究.doc

第十一届令国现代结构程学术研怡 级及以上高强度螺栓研发及其工程应用研究 胡鹏天石永久王元清 十】目自￥女，镕￥口目摘要：随着高度和哥性能材在程中的瑟自用对高度螵栓的设计和应用也提出更高的瑶求。赴材料方面开 发 等新螺桂钢种在耐廷退性能和延性方面部得到较大的醇善在性能研究方面，各同学者将 级螺栓使用仡各种高强钢节点中进行研究提出了高强度螺栓使用曲方法和建议。牛文结合钢结构设计规范 （）髂订，从】程应用、材科研制和性能研究个方面来总结 碰“高强度螺桂的现有研究成 果，为制定和完善现行殴计规范条文提供科学依据。关键目： 级，延断裂，氢脆麻力腐蚀一、引言 高强度螺栓分为级、 级和 级等级别，所用材料通常为调质处理的中碳钢和中碳舍金钢，随着建筑结构高层化和桥粱结构超长化高强度钢材和高强度螵栓开始得到逐步应用。 级螺栓均为大六角头螺栓， 股镀铬或者镀锌，但不采用电镀的方法。 级螺栓般都采用扭矩扳手施加扭矩，但其与弹簧垫圈和防振垫圈的菸同作的性能并不良好这些垫圈与螺壮表面咬台性能较差，这将导致较大的松弛。解决此问题的方法有两种，一是安装口在螺纹上涂特殊涂料，二是采用如图所示的钻孔连接螺栓，这样都可减少螺栓轴力的松弛。对 级螺栓，一般会用到其屈服强度的，而对级及以下螵栓，只会用到屈服强度的，对级螺栓，一般不能让其承受弯矩。 图 级螺栓 一 我捌在年代在部分铁路析和锅炉钢结筒上使用缎高强度螺拴并逐渐开始使用】级高星度螺栓±日：日诉“日“目±（业建筑增刊 第十二届全国现代结构工程学术研讨会年代引进国外轿车生产技术以后开始使用级螺栓，抗拉强度，屈服强度，也逐渐开始国产化过程，将试制材料选定为。现今国内外超过级主要使用的是和级螺栓，更高级别螺栓暂无查到相关文献。设计高强度螺栓钢的关键是要在提高强度的同时，改善钢的塑性、延迟断裂性能和冷加工性能，还要有良好的耐低温性能、抗蠕变性能和较低的缺口敏感性。处于高应力状态下的钢材经过一定时间后突然发生脆性破坏的现象称为延迟断裂，其主要原因是由外部环境氢侵入和酸洗、电镀处理等制造过程中侵入钢中的氢（内氢）引起的，延迟断裂现象也是阻碍螺栓用钢高强度化的一个主要因素。一般认为，钢的强度越高，延迟断裂的敏感性越大。在抗拉强度大于，硬度之的强度水平时，延迟断裂的敏感性逐渐增大。与发达国家相比，我国高强度螺栓的研究比较落后，能达到级高强度螺栓使用要求的仅有、等几种材料。 螺栓施加预紧力的方法通常是采用扭矩扳手施加，对级以下的螺栓，采用施加扭矩的方法基本可以反映螺栓轴向受力的情况，但对级及以上的高强度螺栓，轴力加大，施加扭矩很大一部分消耗在摩擦力上，扭矩法已经不能准确反映螺栓轴力，这需要进行进一步的研究。 本文拟从级以上等级高强度螺栓工程应用、材料研制和性能研究三个方面来总结现有研究成果，并提出现有理论的不足和未来发展的趋势。二、 级以上高强度螺栓工程应用 级螺栓主要用在汽车和锅炉领域，建筑结构中使用较少。关键原因是汽车和锅炉螺栓使用应力较大，对高强度螺栓的研究较多，而在建筑结构中，螺栓的使用应力相对较小。但随着高强度钢材应用，级及以上等级高强度螺栓的使用性能也需要得到进一步的研究。 级螺栓在中国建筑结构中采用较少，但在俄罗斯莫斯科某超高层建筑中曾采用过级高强度螺栓嗍。此结构总高，共层，经过多次试验确定本工程中级高强度螺栓的扭矩系数为，主体结构采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，层钢桁架连接节点全部采用级高强度螺栓连接。级高强度螺栓对各项化学成分的含量控制较高，实验数据如表所示： 研究证明，降低、含量不仅有助于改善钢的冷镦性能，还可以改善钢的耐延迟断裂性能。 （）要做好级高强度螺栓扭矩系数的实验检测 （）级高强度螺栓的含碳量高，对加工工艺要求较高，要采用合格产品，否则会出现螺栓断 裂的问题； （）对较粗直径的级螺栓，需要通过电动和人工扭矩扳手共同使用的方法施加扭矩。 香港九号码头栈桥塔吊锚固螺栓采用了级（抗拉强度瓯；屈强比仉以邳），采用了“无碳化物贝氏体马氏体复合相钢”新材料。三、级以上螺栓材料研究 钢铁研究总院结构材料研究所的惠卫军和董瀚【】【研制出一种级的中碳高强度螺栓钢，具有微细的显微组织和良好的强韧性配合，其缺口敏感性、冷变形性及耐延迟断裂性能均优于或等于常用的级高强度螺栓钢，表明此种钢有可能用作级高强度螺栓钢。为保证高强度 工业建筑增刊 第十二届全国现代结构工程学术研讨会 螺栓的耐延迟断裂性能，螺栓淬火后的回火温度一般不低于”。 表是新研制的高强度螺栓钢与、等高强度钢经淬火和中温回火后力学性能的比较，可见其 强韧性配合优于相同强度级别的马氏体钢。 表低合金马氏体刚的强韧性 图是缺口拉伸延迟断裂的试验结果，随着抗拉强度提高，耐延迟断裂性能恶化，在相同强度水平下，钢的延迟断裂性能明显高于钢。钢在强度水平上与在强度水平上的耐延迟断裂性能相当，表明具有良好的耐延迟断裂性能。 图缺口拉伸延迟断裂性能 山东寿光巨能特钢公司研制出（）钢材【】，在具有高强度的同时，还有良好的抗低温冷脆性和严格的晶粒度。检验表明，钢的实际晶粒度为铺级，各类杂物在级以下，达到（”（）。 蔡璐掣】叶】结合生产工艺对 级的高强度螺栓钢进行了试验研究，研发了级超高强度螺栓（），并将之用于发动机连杆螺栓，在依维柯（）汽车和康明斯发动机上使用了和级的高强度螺栓。同时，对经不同表面处理的螺栓进行了残余应力测试，分析了残余应力的影响。得出了以下几点结论：热处理后滚丝比热处理前滚丝螺栓抗拉强度高，缺口敏感性低：磷化处理和处理对 级高强度螺栓抗拉强度和缺口敏感性无明显影响，但降低了螺栓滚压或滚丝的残余压应力。另外，磷化处理螺栓疲劳性能高于处理的螺栓。 杨兴林【 发现在海洋环境中使用材料的高强度螺栓在使用过程中易发生断裂。此螺栓加工工业建筑增刊 第十一届仝围现代结构稃学术研”尝后厢服强度在以，抗拉强度在以，平均硬度为。经分析为应力腐蚀导致的断裂，并提出了镀层的加工建议，可以有效防氢脆和席力腐蚀。 卢海波和熊“奇”“以高强度螺栓钢为摹础，开发性能均满足要求的 级发动机缸盖螺栓，抗拉强度为 ，屈服强度为 断后延伸率为 ，断面收缩率为 硬度为 ” 平均疲劳强度载荷比 级蝶栓高出 。对级螺栓加载后进行大气自然环境暴露试验，经过个月束发现延迟断裂现象。 岛伟”对钢通过氢气保护热处理脱碳试验、杆部缩细冷潋、热处理后滚丝工艺后研制出符合 技术要求的螺栓。 惠怀兵，郝其勋等”对高强度螺栓在环境下进行了氢脆敏感性分析，通过螵栓的断裂情况和断口丹析可知 级的螺栓镀锌后未经除氢处理有非常高的氢脆敏感性，除氢处理可有效降低螺栓断裂的风险。相比之下，对强度在级（包括 级）的螺栓，氢脆不会对螺栓造成直接危害。 李建平“”对某拄动机汽气缸盖 级螺栓延迟断裂的因素进行了分析和检测，给出了以建议：商强度螺栓冷铺生产时，采用防护附件，减轻或避免螺栓的磕碰以提高螵栓的表面质量螵栓热处理硬度严格进控制，不宜超过限：蝶栓磷化处理后，室温存放时间不得少于天，或者在”炉内烘烤，以减轻氧元素的影响。 李志刚”对 和级高强度螺栓延迟断裂性能进行了研究，发现末蜍装的、 级螺栓，其延迟断裂能较蔗，延迟断裂时日约为左右，与标准要求的差距较，经凉装处理后，抗延迟断裂能力大大提高达到或接近标准要求：改进滚壬皇工艺和螺栓根部彤状可以提高抗延迟断裂能力。另外，引对扭矩法不能准确施加轴力的¨题，李志刚提出了一种建立螺栓伸长轴力关系曲线，通过螺拴的实际伸长求得螺栓轴力，如图、图。 黛 勰 瓣 圉 级螺栓轴力一伸长量关系曲线 在 （碳钢和台金钢紧同件机械性能）中，对 级螺栓材料的性能也作丁相关规定 表 卜（碳钢和台金钢紧固件机械性能）规定 建筑增刊 第届仝闻现代结构程学术研讨台 此规范还规定， 级螺栓的标准抗拉强度为，非比例伸长时 应力标准值为，屉人值为 ，断后伸长率为，断面收缩率为。规范妊对螺栓极限拉力、硬度等的测量方法做了规定。 在我国钢结构规范、欧洲规范（）、美国钢结构规范（）中均无对 级蝶栓的相关规定。四、级以上螺栓性能研究 缓及以上超高强度螺栓因为存在前文中提到的若干问题，所以实际结构中的应用较少，备国学者在这方面展开了研究，取得较多的成果。 ”【”糯 级螺栓应胄在高强度钢材上进行端板连接性能的研究，试验发现，安装了 级螺栓的试件在破坏时县有脆断裂缝，基本上没有塑性变形，而相同情况下的 级螵栓则具有较好的塑性和完全变形能力。在某些工况中，蝶栓的破坏是因为在螺栓头处过大的转角。因此作者不建议在结构中采用这种型号的螺栓，在作者试验的组构件中，采用了 级螺栓的节点破坏形式大部分为螺栓拉断，由表可知 级螺栓的节点刚度小于采用 级螺栓节点的刚度（如一”一和 、 和 ）。 图破坏模式：螺栓受拉破坏 表试件尺寸详图 四蛐 釜裂置鬻 ”叫 雌 岬毗呐岫邺¨ 埘批删九四 四哪 印 如 蚰帅 帅曲 懈 耋！ 耋四 四 四叫 四四哪聃四 “ ¨“ “ 胤“业建筑增刊 第十二届全国现代结构工程学术研讨会 ￥ 一 （） ￥ （） （） ￥ （）￥ （其中，柱截面均为，粱截面均为，等级均为） 一 一盟幽塑坠盏吐破坏 表 一伊曲线试验结果 编号 呜，矗，懈 九纯薹三 ? 。 。 一 （） （） （） 里曼！ 丝 ： ： 箜！ 三！堡 三！ 竺 叁（注：破坏模式为端板屈服或拉断，为螺栓螺纹剥落，为螺栓拉断） 和 对双剪面情况下的高强度钢材节点做了研究，采用级螺栓，螺栓剪切破坏时变形较小，原因是级螺栓的材质为高强钢，塑性变形小。图为其试验加载装置，图为螺栓的破坏情况。 工业建筑增刊 第十月仝目理代结构再学术研讨会 鬣 图试验加载装置 “冬塞曩毫、。 图疲劳试验加载试件图五、结论与展望 现在对超高强度螺栓的研究主要集中在汽车和发电机领域，在结构螺栓的研究相较少。另外， 级螺桂钢材的延性和耐延迟性能较差，这是限制其泛应用的原因，未来需要借箍高性能制材的发展思路，业建筑增刊 第十二届全国现代结构工程学术研讨会提高强度的同时加强其使用性能，同时还要研究在腐蚀环境、高温环境和低温环境中的性能。在施工中，级螺栓的轴力大于其他级别螺栓的轴力，需要对施工方法和施工精度展开研究，做好螺栓扭矩系数检测。因级螺栓含碳量高，还要做好质量检测，避免螺栓断裂的问题。 在材料方面，未来发展超高强度螺栓钢的方向有以下几点： （）发展二次硬化钢，其强度比一般调质钢高温回火后的强度高； （）采用电加热处理和循环热处理进行奥氏体细晶化热处理的同时，借鉴国外钢的细晶化作用 （）采用加使偏聚在奥氏体晶界，强化原相晶界； （）充分应用、碳化物的氢陷阱作用。 参考文献（）冷镦和冷挤压用钢国家标准，（）紧固件机械性能：螺栓、螺钉和螺柱，厂。（）碳钢和铸钢铸造的紧固件机械性能，（）郭庆生，张元春高强度螺栓大型钢结构连接节点施工技术山西建筑，：（）惠卫军，萱瀚，王毛球等耐延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢闭机械工程材料，（）：（）惠卫军，董瀚，翁宇庆高强度螵栓钢的合金设计和性能钢铁研究学报，（）：（）惠卫军，董瀚，王毛球等级高强度螺钢钢铁，（）：（）尚明，王金海，穆敬飞高强度螺检用钢（）的研制山东冶金，（）：（）武志峰高强度螺栓用钢热处理制度的选择冶金丛刊，（）：（）赵秀明，蔡璐，朱云明等级高强度螺栓开发特殊钢，：（）赵秀明，蔡璐，朱云明等级高强度螺栓开的开发及其力学性能研究模型汽车技术，：（）蔡璐，赵秀明，朱金华级高强度螺栓的研制机械工程材料，（）：（）杨兴林，张俊苗，陈字光高强度螺栓断裂失效分析江苏科技大学学报，（）：（）卢海波，蔡殉，熊云奇等级螺栓研制及在汽车发动机上的应用上海交通大学学报 （ ）高伟发动机级连杆螺栓的材料与工艺汽车技术， ： （）惠怀兵，郝其勋，卢海波高强度螺栓在环境下氢脆敏感性分析，（）： （）李建平，黄文长，冯继军级缸盖螺栓的延迟断裂分析汽车科技，： （）马鸣图，李志刚，熊云奇等、级高强度螺栓的延迟断裂性能的研究材料导报，（）： （）张先鸣高强度螺栓钢的研究及发展趋势国外金属热处理，（）： （）刘雷。李培耀高强度螺栓钢的研究及发展趋势上海工程技术大学学报，（）： （）祖荣祥高强度螺栓钢的开发与应用特殊钢，（）： （）郑琛，朱金华级发动机螺栓的延迟断裂分析空军工程学报，似）： （） 。 ， （） ： .