紧固件材料选择.doc

紧固件材料选择 紧固件材料选择（译自美国Fastenal的TechnicalReferenceGuide）没有一种在任何环境下都合适的紧固件材料。在众多能够使用的材料中选择正确的紧固件材料看起来是一件可怕的任务，需要仔细考虑给定的强度、温度、腐蚀、振动、疲惫和很多其他不确定因素。因此，具备和理解一些基本知识，才能产生满足的结果。1机械性能大多数紧固件都需要承受或传递外部提供的载荷。假如仅涉及到强度，紧固件材料通常采用碳钢。90%以上的紧固件用碳钢制造。考虑到原材料本钱，一般情况下，只有在有特殊应用要求时才考虑有色金属。1.1抗拉强度与标准螺纹紧固件最相关的机械性能是抗拉强度，抗拉强度是紧固件预定可以承受或断裂时的最大加载拉力载荷（见图1）。紧固件可以承受的拉力载荷由下面的公式计算：P=StxAs其中：P=拉力载荷（lb，N）St=抗拉强度（psi，MPa）As=应力截面积（sq.in，sq.mm）例：3/4-10X7SAEJ4295级六角螺栓（St和As值见附录）St=120000psiAs=0.3340sq.inP=120000psix0.3340sq.in=40080lb(St和As值可在附录中查找)在这个式中，As作为一个重要因素定义为应力截面积。当螺纹紧固件在单纯受拉失效时，其代表性的断裂都在螺纹部分（这就是最小截面积特性）。应力截面积是通过一个包括紧固件公称尺寸和螺距的经验公式计算出来的，提供在附录的表中。图1.应力-应变图1.2保证载荷保证载荷表示标准紧固件可以使用的强度范围，保证载荷是一个紧固件必须承受且不会出现永久变形时加载的拉力载荷。换句话说就是，当载荷往掉时，螺栓可以回复到初始状态。图1所示为螺栓在加载拉力载荷时的典型应力-应变关系。钢材拉伸时有确定的弹性模量，假如紧固件处于弹性范围内，往掉载荷后，紧固件总是回复到初始状态。可是，假如载荷超过了紧固件的屈服点，就将进进塑性范围，此时，即使往掉载荷，钢材也不会回复到初始状态。屈服强度就是发生永久变形的这个点。假如继续加载，将达到最大强度点，这就是大家知道的终极抗拉强度。通过这点后，应力减小，紧固件继续“缩颈”和进一步伸长，伸长将最后导致紧固件在拉力点断裂。1.3剪切强度剪切强度就是加载与紧固件轴线垂直时，断裂前可以承受的最大载荷。载荷出现在一个横截面上就是单一剪切，双剪切就是紧固件被三个部件剪切，载荷加在两个截面上。图2是双剪切示例。对大多数螺纹紧固件来说，即使经常用于剪切环境，剪切强度也没有作为技术要求。尽管盲铆钉采用一种单一剪切试验装置的剪切试验可称为是一个完善的标准试验程序，但还没有设计螺纹紧固件的试验技术。大多数螺纹紧固件剪切试验方法使用双剪切装置，但试验装置设计的变化导致了丈量的剪切强度散布较宽。测定材料的剪切强度，剪切面的总截面积是关键。通过螺纹的剪切面积采用应力截面积（As）。图2示例了加载剪切载荷时的两种可能性。第一种的剪切面对应于螺栓的螺纹部分，剪切强度直接与有效截面发生关系，较小的面积将导致螺栓剪切强度降低。为了充分利用强度特性，首选的设计是将全部光杆安置在剪切面，如图示右边的连接。图2.螺栓连接剪切面硬度小于即是40HRC的普通碳钢，没有给出剪切强度时，经常采用60%的极限抗拉强度，这是曾经给出的适当的安全系数。仅用于估算。1.4疲惫强度在交变载荷下工作的紧固件会忽然或出乎意料地断裂，即使载荷远低于材料强度，这就是紧固件疲惫失效。疲惫强度是紧固件失效时可以经受的一个预定的交变应力次数。1.5扭力强度扭力强度通常是用扭矩极限表示的载荷，紧固件失效是绕轴线拧断。自攻螺钉和内六角螺钉要求扭力试验。1.6其他机械性能1.6.1硬度硬度是材料抵抗磨损和压痕的能力。布氏和洛氏硬度试验能够用来估计紧固件的抗拉强度性能。1.6.2塑性(屈强比)塑性是对持续塑性变形直到断裂的程度衡量，换句话说，它是材料断裂前的变形能力。经过很小或没有塑性变形就断裂的材料就是脆性材料。紧固件塑性的适当表示是规定的最小屈服强度与最小抗拉强度的比值，这个比值较低，则紧固件有更高的塑性。1.6.3韧性韧性是材料吸收冲击或震动载荷的能力。冲击强度韧性是少有的技术规范要求，除各种航天航空产业紧固件外，ASTMA320低温环境合金钢栓接材料技术规范是要求进行冲击试验的几个级别的技术规范之一。2材料2.1碳钢90%以上的紧固件用碳钢制造。钢材具有极好的加工性能，获得各种强度性能组合的范围非常宽广，与其它常用于紧固件的材料相比，本钱更低。机械性能对材料中碳的含量很敏感，通常碳含量小于1%。就紧固件而言，大多数普通钢材被分类为三组：低碳钢、中碳钢和合金钢。2.1.1低碳钢低碳钢碳含量一般小于0.25%，并且不能通过热处理进步强度，只能通过冷加工（冷作硬化）来进步强度。相对来说低碳钢材料很柔软，但具有明显的塑性和韧性，而且机加工和焊接本钱相对较低。典型的低碳钢屈服强度为40000psi，抗拉强度为6000080000psi，塑性为25%的伸长率。经常使用的材料包括ANSI1006、1008、1016、1018、1021和1022。SAEJ4291级和ASTMA307A级是低碳钢强度等级，性能基本相同。ASTMA307B级是用于管道和法兰螺栓的特殊低碳钢等级，除规定了最大抗拉强度外，性能与A级非常相似，这样的原因是为了保证，螺栓因疏忽导致安装超拧时，在铸铁法兰、阀、泵和昂贵的长管道破坏之前先断裂。SAEJ4292级是由于冷加工（冷镦）而改善了强度性能的低碳钢强度等级。2.1.2中碳钢中碳钢碳含量在0.25%0.6%之间，它们可以通过奥氏体化热处理，淬火和回火（调质）来改善机械性能。普通中碳钢淬透性差，只有在薄的区域和快速淬火冷却时才能成功进行热处理。因此，紧固件的最后性能受尺寸影响。请留意，在SAEJ4295级，ASTMA325和ASTMA449技术规范中，强度性能随着直径的增大逐步降低。在强度-本钱之间，中碳钢热处理给效益带来了极大的负担。中碳钢屈强比很低，因此有很好的塑性。普通中碳钢包括ANSI1030、1035、1038和1541。2.1.3合金钢当锰（Mn）含量超过1.65%、硅(Si)或铜（Cu）含量超过0.6%，或铬(Cr)含量低于4%时，碳钢可以分类为合金钢。假如规定了铝（Al）、钛(Ti)、钒(V)、镍(Ni)的最小含量，或其它任何附加元素达到了特有成分，碳钢也可以分类为合金钢。增加铬(Cr)、镍(Ni)和钼（Mo），改善了合金钢的热处理能力，增加了更多的强度与塑性（屈强比）组合种类。SAEJ4298级、ASTMA354BD级、ASTMA490、ASTMA194B7级是合金钢紧固件的所有常见范例。2.2不锈钢不锈钢是含铬(Cr)量不小于10.5%的铁基合金。铬(Cr)使材料表面产生一层透明的抗氧化薄膜，使材料“钝化”或耐腐蚀。其它元素，象镍(Ni)或钼（Mo）的加进，可以增加耐腐蚀、强度或耐热性能。不锈钢按显微组织能简单公道地分为三类：奥氏体、马氏体和铁素体，它们都有特有特性和等级或“型号”。也可以加进更多合金来改变化学成分以满足不同的腐蚀环境、温度范围和强度要求的需要，或改善焊接性能、加工性能、加工硬化和成形性能。2.2.1奥氏体不锈钢铬(Cr)和镍(Ni)的含量比其它型号高，不能热处理进步硬度，耐腐蚀程度高。基本上没有磁性，不过，有些产品在冷加工后会变得有稍微磁性。奥氏体不锈钢的抗拉强度为75000105000psi。18-8不锈钢是含铬(Cr)量约18%、含镍(Ni)量约8%的不锈钢型号，18-8不锈钢的级别包括但不限于302、303、304和XM7。普通奥氏体不锈钢级别302：一般用途不锈钢，在多数大气条件下表面没有光泽，适当进步温度时仍呈现高的强度，常用于线型产品，如弹簧、栅网、缆绳等，是平垫圈的普通材料。302HQ：添加了铜，以减少冷成形时的加工硬化，常用于机螺钉、自攻螺钉和小螺母。303：含有少量的硫，以改善切削性能，常用于定制的螺母和螺栓。304：一种低碳高铬不锈钢，与302相比，改善了耐