作者：刘雷，李培耀(上海工程技术大学材料工程学院，上海)

出处：《上海工程技术大学学报》年6月

摘要：随着高强度螺栓工作应力的增加及其应用领域的扩大，对高强度螺栓钢材的性能提出了更高的要求：既要满足螺栓的高强度性能，又要确保工作的可靠性．论述了高强度螺栓材料的研究现状及其强化机制和常用的高强度螺栓材料，提出了高强度螺栓材料的发展趋势．

紧固件在机械构件中起到联接、定位和密封等作用，其中螺栓用量最大l1]．随着各类机械、设备、建筑工程的不断大型化，以及功率、转速的不断提高，螺栓类零件的工作条件更加恶劣，工作应力明显提高，因此，要求螺栓钢材具有更高的强度．例如超临界、超超临界发电机组所用的高压给水泵是超临界发电机组的关键设备，对水泵供水压力的要求越来越高，使水泵密封与承压作用的螺栓的强度要求也随之提高；大型建筑网架结构不仅跨度大，而且大多是公共建筑，而高强度螺栓是用于空间钢网

架螺栓球节点上的重要零件，它直接传递交变荷载引起的交变内力，其质量的优劣直接涉及人民生命财产安全[2]；原有的汽车、摩托车用螺栓，尤其是发动机螺栓已难以满足发动机高应力化的要求[3]，螺栓的高强度化能够减小螺栓的尺寸，降低螺栓自身的质量，有利于减轻汽车质量、降低能源消耗；作为联接、紧固部件，螺栓的高强度化还有利于汽车其他结构的小型化和紧凑化[4]．可见，高强度螺栓有很大的使用价值和广阔的应用前景．

1高强度螺栓的性能指标

高强度螺栓的强度水平分为8．8级、9．8级、10．9级和12．9级等4个级别，各级别螺栓的力学性能见表1[1]．

从高强度螺栓钢的质量上划分，大体可分为当前质量、潜在质量与最终质量3类[3]：

1)当前质量主要指变形抗力低、不易开裂、良好的钢材质量，镦锻容易，且工模具损耗低等最基本的锻造特性．

2)潜在质量是在确保当前质量的基础上，对各种合金元素最佳配比的选定，镦锻前后的热处理工序的简化或省略等方面的开发，从而获得比原用

常规钢材更优的功能特性．

3)最终质量是指高强度螺栓钢及其制品螺栓应满足高的抗拉强度，以便抵抗拉长、拉断、滑扣和磨损；有较高的塑性和韧性，以减少对偏斜、缺口应力集中等表面质量问题的敏感性；在潮湿大气或腐蚀气氛环境下工作的螺栓，要求具有足够低的延迟断裂敏感性；对承受交变载荷和冲击载荷的螺栓，要求有较高的疲劳抗力和多次冲击拉伸抗力，以抵抗疲劳、多冲断裂；对在严寒地区工作的螺栓，还要求螺栓材料具有低的韧脆转化温度．

根据高强度螺栓的服役条件，对其力学性能一般有以下要求：

1)高抗拉强度和高屈强比；

2)足够高的塑性，尤其是采用塑性区拧紧时；

3)能被反复拧紧，即能承受足够多次的大应力幅加载，具有较好的低周疲劳性能；

4)当承受交变工作载荷时，应具有较好的高周疲劳性能；

5)当承受冲击载荷时，应具有较高的冲击韧性；

6)良好的耐延迟断裂性能；

7)良好的耐低温性能；

8)良好的抗蠕变、抗应力松弛性能；

9)较低的缺口敏感性(螺栓为多缺口零件)；

10)稳定的表面摩擦因数，以获得稳定的装配预紧力．

2高强度螺栓的研究现状

我国使用高强度螺栓的时间不长．60年代开始在部分铁路桥梁上使用80年代才开始在锅炉钢结构上使用嘲，90年代我国在引进国外轿车和生产技术后才发现强度等级为12．9级，抗拉强度为MPa，屈服强度为MPa的螺栓，当时，在汽车用螺栓中属于最高强度级别．一汽集团引进美国克莱斯勒发动机后，飞轮螺栓一直依赖进口，为了实现国产化，一汽集团公司通过对国外高强度螺栓材料与我国现有材料成分比较，得知美国飞轮螺栓用材相当于ML35MnMo牌号材料，德国奥迪轿车用高强螺栓用材也相当于ML35CrMo，因此把12．9级飞轮螺栓材料国产化试制材料选定为ML35CrMo．采用材料扒皮技术，将原材料表面脱碳层去除，然后，经过冷顶锻和端淬试验，退火、淬火、回火工艺试验，成品性能测试、台架试验和装载试验，最终成功地研制出性能与CA发动机飞轮螺栓产品相当的高强度螺栓[6]．王荣滨等[7]利用板条马氏体组织提高高强螺栓的性能，也可获得10．9级以上高性能螺栓，并可部分替代调质优质结构钢．

低碳马氏体(板条马氏体)钢，以其高强度、塑性、韧性和低缺口敏感性得到了广泛的应用．太原钢铁公司为汽车、标准件行业，开发了一系列低碳马氏体紧固件用钢．如ML15MnVB、ML20MnVB、ML15MnB和ML15Mn等，用其制作8．8级、9．8级、10．9级高强度螺栓取得了良好的使用效果_8J．

冷光荣等[9通过适当的热处理工艺成功地将低碳中合金钢(22Cr2Ni4MoV)的性能控制在抗拉强度为MPa，伸长率为12％，硬度为45HRC，冲击功为60J．用此材料制作的高强度螺栓，可勉强满足中板mm四辊轧机对螺栓材料力学性能的要求，但是经使用，螺栓的平均寿命仅2个月，持久性不能令人满意．潘祖诒等[10]。在22Cr2Ni4MoV材料的基础上，通过控制化学成分、组织和性能，采用淬火+低温回火或淬火+高温回火热处理工艺，使钢的强度、塑性和韧性都有很好的配合．用新型高强度螺栓钢材制作的mm四辊可逆式轧机万向接轴联接螺栓，具有很高的使用寿命．

随着螺栓强度的提高，特别是当抗拉强度超过MPa时，延迟断裂就变得十分突出，这是螺栓高强度化时遇到的一个最主要问题．高强度螺栓属于缺口零件，具有很高的缺口敏感性，容易在缺口应力集中部位产生延迟断裂，因而其使用范围受到了限制．惠卫军等在42CrMo材料成分的基础上增加Mo含量(质量分数，以下同)，添加微合金元素V、Nb，降低Mn和杂质元素P、S含量，研制开发出一种高强度螺栓钢ADF1，在MPa级的强度水平下具有良好的耐延迟断裂性能．进一步分析认为，由于Mo、V系碳化物的二次硬化效应和循环热处理，使钢材的晶粒尺寸从约12um细化到约5um，缺口拉伸I临界应力明显提高．总结得出：调整合金含量、添加抗腐蚀合金元素、细化晶粒、减少晶界偏析、提高回火温度和使侵入的氢无害化，可以提高高强螺栓耐延迟断裂性能．日本住友金属的ADS系列、神户制铁的KNDS系列和中国钢铁研究总院的ADF系列钢材都是采用这些措施而成功研究出耐延迟断裂性能良好的高强度螺栓钢[13]．

与发达国家相比，我国高强度螺栓钢的研究和开发水平还较落后，能达到12．9级高强螺栓使用要求的仅有ML20MnVB[8]、ML35CrMoV[14-15]、35CrMo[16]等几种材料．年，我国汽车发动机使用的12．9级连杆螺栓基本靠进口件[17]．虽然，惠卫军等[14,17-18]在42CrMo材料的基础上研制出MPa级高强螺栓材料42CrMoVNb，但对其在实际应用中的性能还需进一步考察．

高强螺栓服役环境不同对材料性能也有不同的要求．杨兴林等发现在海洋环境中使用的高强螺栓35CrMnSiA材料在服役过程中很容易发生断裂．经分析认为：由于海洋大气和海水对螺栓材料的腐蚀较为严重，螺栓断裂并不是普通的氢脆断裂，而是由于海洋环境的腐蚀作用引起的应力腐

蚀断裂．同时，提出了以更换镀层、提高成品的检测水平来提高螺栓抗应力腐蚀断裂的能力，但是没有从根本上解决材料性能缺陷的问题．方栋等[20]考虑材料服役环境后，选用16Co14Ni10Cr2Mo材料代替35CrMnSiA材料，该种钢材强度高，塑韧性好，综合性能优异，在航空上的应用已基本成熟，但用它制造大截面螺栓并应用于海洋环境中还是首

次．通过模拟海洋环境试验，发现螺栓不会发生由低温脆性和缺口脆性引起的断裂，在预紧状态，即使镀层磨损也不会发生应力腐蚀断裂，正常工作时也不会发生过载断裂，同时螺栓产品在实际应用中可安全使用一年．由此得知，16Col4Nil0Cr2MoE钢制M56螺栓在海洋环境中使用是安全可靠的，进而从材质上解决了应力腐蚀问题．

近些年来，我国学者对高强螺栓的研究主要集中在高强螺栓氢脆断裂机制[21-24]、热处理工艺改进[25-27]和高强螺栓失效分析[28-31]等方面，为以后的高强螺栓材料的研制提供了重要依据．

高强度螺栓材料中的合金元素以及微量元素对其性能起了很重要的作用．研究认为：微合金非调质钢中加入0．02％左右的Ti等微合金元素[32-35]可析出沉淀相，能在加热和热加工过程中阻止晶粒长大，在冷却过程中析出沉淀相能强化基体，从而提高钢材的综合性能．但是并不是所有析出相都能提高钢材的综合性能．索进平等[36]用Thermo—cale和Dicta软件对微合金钢40MnV中的析出相进行计算，并用电解分析，X一衍射，透射电镜研究了析出相的成分、形貌和分布．结果表明，钢中少量的N和Ti可导致固液两相区析出尺寸为50nm的粗大TiN颗粒．根据Gladman理论，可以得出在固液两相区析出的(Ti，V)(C，N)颗粒不能在加热过程中起到阻止晶粒长大的作用，相反，由于这些颗粒较粗大，对钢材的性能反而有害I3．通过降低N或Ti的含量都可以有效降低TiN在固液两相区的析出温度和析出数量，为了保证有较多VN析出，应将微合金钢中0．02％左右Ti降低到合适范围，同时也要控制N含量在适量范围．

通过研究合金元素对材料性能的影响规律，使我们在开发新型高强度螺栓材料时有据可依．但是，仅有适当的合金成分并不能保证研制出来的螺栓就能满足实际的性能要求，需要经过合理的热处理工艺，使材料硬度、强度、塑性和韧性达到的合理配合，才能研制出性能优异的螺栓．

30NCD16是一种高强度合金钢，具有较强的抗热性，经中高温回火后具有较高的强度和韧性．刘湘江[38]，刘华等[39]研究了30NCD16的淬火、回火温度对其组织性能的影响，最终确定高强度钢30NCD16的最佳热处理工艺为~℃，淬火后在℃回火，可获得细致均匀的索氏体组织，钢的抗拉强度MPa，冲击功Akus50J．

王根矶等[40]采用显微组织观察和力学性能测定，研究了不同热处理工艺对Q低合金高强钢厚板组织和力学性能的影响．结果表明，经℃正火36min，可使Q39o低合金高强钢厚板热轧态中的混晶组织经完全奥氏体化后实现晶粒细化，在随后的冷却过程中转变为多边形铁素体和珠光体，获得良好的综合力学性能，伸长率和冲击韧性都比热轧态提高很多，并完全消除拉伸断口分层现象．

CrNiMoBNbl6-16钢是一种重要工业生产用高合金钢，主要用作有高温强度要求的螺栓材料，如汽轮机、燃汽轮机、发动机、化学反应以及高压热工设备等．贺威等[41]从热处理工艺对室温、高温拉伸性能的影响和试验温度对拉伸性能的影响两个方面分析了CrNiMoBNb16—16钢组织和力学性能之间的关系．试验结果表明，随着试验温度(20～℃)的提高，强度下降比较明显，塑性也有所下降．对此类试验材料，温锻要比高温锻造时的综合性能好，最终确定了该材料的形变热处理方式为温锻，使其强韧性有了最佳的匹配．

通过调整材料的合金成分，经过适当的热处理，大多数合金结构钢的抗拉强度提高到MPa后，会产生延迟断裂[42]．因此，进一步提高强度就失去了使用价值，而且造成更大的不安全性．研究表明，通过减少晶界偏析、细化晶粒、提高回火温度、调整合金元素、减少表面侵入氢量和使侵入氢无害化等[11-13]，可以提高高强钢耐延迟断裂性能．

3高强度螺栓的常用材料及其强韧化机制

3．1低合金钢

低合金钢一般为中碳含量，从合金成分来看，有Cr、Cr—Mo、Cr—Ni、Ni—Cr—Mo、Mn和Mn—Cr等系列．由表2可看出低合金螺栓钢的应用范围很广，强度级别从MPa都可选用．当强度为MPa时，低合金钢制造的螺栓延迟破坏问题突出，需要解决．目前低合金钢仍然是主要的高强度螺栓用钢[43]．

用低合金钢制造螺栓需进行调质处理，即淬火后再回火．另外，因碳及合金元素含量较高，硬度及变形抗力大，因此，冷锻前需进行球化退火处理．低合金钢中含有各种合金元素，如何节省螺栓钢中的合金，降低成本是需要考虑的问题，并且由于碳及合金元素含量相对较高，钢材塑性和韧性也就较差，欲进一步提高强度，并保证必需的塑韧性，也是一个需要研究的问题．

3．2硼钢[43]

随着冷锻技术的发展，对冷锻螺栓钢的需求也大大增加．原来用于制造高强度螺栓的材料为中碳钢和中碳合金钢．但是，这类钢的硬度高、冷变形抗力大，需要在冷锻前进行球化退火处理，耗能很大，为此开发了低碳硼钢．低碳硼钢成分设计的基本原理是降低含碳量，改善钢的冷变形能力．加入微量硼，弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失．另外，根据需要还可加入少量Cr、Mn等合金元素，进一步提高淬透性．

低碳硼钢的特点是：

1)用少量硼代替大量合金元素，经济效果明显；

2)碳及合金元素含量低，轧材可以直接冷锻变形，不需预先球化处理，节约大量能源；

3)淬火变形和开裂的倾向小，可用水淬处理，节约淬火用油，改善了操作条件和工作环境；

(4)性能良好，在相同强度水平下韧性较中碳合金钢有明显改善，而且疲劳破坏抗力高，脱碳敏感性小．

硼钢螺栓已经开始在汽车、建筑、机械等部门得到应用，且数量不断增加．由表2可见，强度从-MPa的螺栓都可用硼钢制造．

3．3非调质钢[43]

非调质钢不含多量合金元素，而且不用调质处理，只需控制热加工变形量及随后的冷却速度，便能保证必要的力学性能，可节约热处理能耗，缩短生产周期，降低钢材的成本．目前非调质钢螺栓主要应用于汽车制造业，但总体数量仍然较少，应用范围不广．与调质钢相比，其成本虽然下降，但是韧性较低，强度水平也不够稳定，冷锻时模具寿命较低，这些问题制约了非调质钢的应用范围．

非调质钢主要用于～MPa级别的螺栓，有时也用于MPa以上级别．一般~MPa级的螺栓用非调质钢含碳量为0．25％左右的C—Mn系，或含碳为0．10％左右的C—Mo系中再加入微量的Nb、V、Ti等元素，其组织为铁素体+珠光体．强度级别在MPa以上时，多用含碳0．10％左右的C—Mo-Si系中加入Cr、Ti、B等元素，以提高淬透性，保证得到满意的强度和韧性，其组织为铁素体+贝氏体．为了改善非调质钢的韧性，使强韧性配合良好，除控制化学成分外，还可以通过调整加工工艺(如热加工温度、轧制变形量及轧后控冷等)来达到目的．

3．4低碳马氏体钢

凡是碳含量小于0．25％的非合金钢(碳素钢)或低碳低合金结构钢经强烈淬火，获得80％以上甚至％低碳马氏体组织，这类钢统称为低碳马氏体钢[44]．其硬度为45～50HRC，屈服强度为0～MPa，抗拉强度为～MPa，具有很好的塑性(A≥10％，Z≥40％)、韧性(Axv≥59J)．良好的冷加工性、可焊性，及热处理畸变小等优点[45]．因此，低碳马氏体的应用日益广泛，成为发挥钢材强韧性潜力，延长机器零件寿命的一个重要途径[46]．应用在高强度螺栓中的材料有15MnVB、20MnSi、20钢、20MnTiB等[44]．

3．5强韧化机制

高强钢材的强韧化机制主要有细晶强化、固溶强化、沉淀与弥散强化和位错强化等．

1)细晶强化．通过增加晶界来障碍位错运动，并将塑性变形限定在一定范围内提高钢的塑性，它既能有效地提高强度，又能明显地优化塑性和韧性[47]．现在工业领域广泛应用的主要是控制轧制与控制冷却技术(TMCP)，即通过奥氏体再结晶，形变诱导铁素体相变(DIFT)，加速冷却及铁素体再结晶来细化最终组织[48]．

2)固溶强化．利用金属材料内部点缺陷(间隙原子、置换原子)对金属基体(溶剂金属)进行强化．随着原子直径差别增加，造成的畸变程度愈大，由

此造成强化效果愈大．在Fe中加Mn、Si、Ni、Mo等元素都能造成置换式固溶强化作用．

3)沉淀与弥散强化．第二相质点沉淀时，沉淀相在基体中造成应力场和高能区，致使强度、硬度急剧增加而强化．总结得知：沉淀相的体积比越大，强化效果越显著；第二相弥散度越大，强化效果越好；第二相质点对位错运动的阻力越大，强化效果也越大．

4)位错强化．由于高密度位错的存在，使位错运动变得困难，表现在力学性能上是金属强度提高，对有晶体缺陷的实际金属而言可以通过位错增殖而强化．同时，位错的运动也是产生固溶强化、细晶强化和沉淀及弥散强化的主要原因[49]．

影响高强度螺栓材料强度和韧性的主要原因是基体组织的微观缺陷，它包括晶粒间界、沉淀粒子、位错亚结构和固溶畸变等．上述微观缺陷结构均将导致钢强度的提高，然而除了晶粒间界增多(即细晶强化)会使韧性增高外，其余微观缺陷结构都将使韧性下降[50-51]，在进行高强度螺栓材料强化时需要充分利用这些强化机制．

4高强度螺栓材料的研究展望

随着能源、汽车、机械、建筑、轻工等各个行业的发展，对制造各类紧固螺栓的使用材料提出了更高的要求，迫切需求具有高强度的螺栓材料．近10年来，国内外都十分重视该项技术的发展，我国重点基础研究发展规划项目()“新一代钢铁材料的重大基础研究”已经启动，高强度螺栓钢的研究开发便是其中的一个重要课题．总结高强度螺栓钢的发展趋势如下：

1)高强度高性能钢材．随着钢强度的提高，其延迟断裂敏感性越大．在抗拉强度MPa，硬度≥31HRC的强度水平时，延迟断裂的敏感性逐渐增大．服役应力越大的螺栓，发生断裂后所造成的危害也越大，所以开发抗延迟断裂性能优良的高强度螺栓钢，对保护人民生命和财产安全、扩大高强度螺栓应用领域具有重大意义．

2)降低成本、减小能耗．用廉价的硼钢替代含Ni、Cr、Mo等高价格的合金钢，降低成本；以冷锻代替热锻、减少热处理工序的非调质钢，锻造前不需软化处理的低碳不退火钢以及不需剥皮和拉拔的高精度轧材等的广泛使用不仅可以降低能耗，还可减轻螺纹牙尖的脱碳倾向，提高螺栓成品率．

3)提高螺栓钢的质量和可靠性．螺栓零件的可靠性、使用寿命等与螺栓钢的冶金质量、表面状况有密切关系，甚至一些加工性能亦与其有重要的关系．通过提高钢材纯净度，降低S、P含量可改善钢的变形能力、减轻晶界脆化、减少钢中非金属夹杂物，可改善钢材韧塑性，提高钢材耐延迟断裂性能．此外成品螺栓的制造精度、紧固技术和检测方法等也是影响高强度螺栓可靠性的重要因素．

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