2021年11月28日，由上海大學材料科學與工程學院董瀚教授領銜的高性能鋼鐵材料團隊、河北龍鳳山鑄業有限公司、七豐精工科技股份有限公司、舟山市7412工廠、江蘇冶金技術研究院、上海大學（浙江）高端裝備基礎件材料研究院、上大新材料（泰州）研究院等七家單位經過一年多的聯合攻關，通過“材料生產—緊固件制造—服役評價”全產業鏈協作，基于鋼鐵材料高性能化理論，利用龍鳳山鑄業生產的高純鐵原料成功研發出超高強度緊固件用B17.8及B19.8鋼，形成了16.8級和19.8級緊固件制造技術。


16.8和19.8級緊固件實物


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什么是高強度螺栓？
高強度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強度摩擦預緊螺栓，英文簡稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說的高強度螺栓是高強度摩擦預緊螺栓的簡稱。在日常溝通中，僅僅是簡略了“摩擦（Friction）”“預緊（Grip）”兩個詞，卻造成了許多工程技術人員對高強度螺栓基本定義的理解，產生了誤區。


誤區一：
材料等級超過8.8級的螺栓，就是“高強度螺栓”？


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


實際上在英標規范，美標規范中提到的高強度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級和10.9級兩種（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，材料強度高低并不是區別高強度螺栓與普通螺栓的關鍵。




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高強度螺栓強在哪？


按照GB50017，計算單個普通螺栓（B類）8.8級和高強度螺栓8.8級抗拉及抗剪強度。




通過計算我們可以看到，相同等級的情況下，普通螺栓的抗拉強度和抗剪強度的設計值都要高于高強度螺栓。


那么高強度螺栓，“強”在哪里？


為回答這一個問題，必須從兩種螺栓的設計工作狀態入手，研究其彈塑性變形的規律，并理解到設計破壞時的極限狀態。


普通螺栓和高強度螺栓工作狀態下應力應變曲線


設計破壞時的極限狀態


普通螺栓：螺桿本身發生超過設計允許的塑性變形，螺桿被剪壞。


普通螺栓連接，開始承受剪力前連接板間就會發生相對滑移，繼而螺栓桿和連接板接觸，發生彈塑性形變，承受剪力。


高強度螺栓：有效摩擦面間的靜摩擦力被攻克，兩塊鋼板發生相對位移，設計考量上即為破壞。


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


誤區二：
承載能力高就是高強度螺栓？


由單個螺栓的計算可知，高強度螺栓抗拉和抗剪的設計強度均低于普通螺栓。其高強實質是：正常工作時，節點不允許發生任何相對滑移，即：彈塑性變形小，節點剛度大。


可見，在給定設計節點荷載的情況下，用高強度螺栓設計的節點并不一定能節省螺栓使用數量，但是其變形小，剛度大，安全儲備高。高強度螺栓適合用主梁，等要求節點剛度較大的位置，符合“強節點，弱桿件”的基本抗震設計原理。


高強度螺栓之強，并非在于其本身的承載能力設計值，而是表現于其設計節點的剛度大，安全性能高，抗破壞的能力強。


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高強度螺栓和普通螺栓的對比


普通螺栓和高強度螺栓由于其設計的受力原理不同，其在施工檢驗方法上有極大的區別。




同等級普通螺栓各項機械性能要求均比高強度螺栓略高，但高強度螺栓較普通螺栓多一項沖擊功的驗收要求。




普通螺栓和高強度螺栓的標示是對同等級螺栓現場識別的基本方法。由于英美標準中對于高強度螺栓扭矩值計算的取值并不相同，所以識別兩種標準的螺栓也有必要。


高強度螺栓：（M24，L60，8.8級）




普通螺栓：（M24，L60，8.8級）


可見普通螺栓大約為高強度螺栓價格的70%，結合其驗收要求的對比，可以得出，其溢價部分就應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度
無論承受什么復雜的載荷，高強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。提高高強度螺栓的抗疲勞性能至關重要。
螺栓疲勞斷裂具有以下特征：
1.　疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低，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果。

對于螺栓，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%的破壞發生在與螺母聯接的第一個螺牙；


20%的破壞發生在螺紋與光桿的轉變處；


15%的破壞發生在螺栓頭與螺桿過渡圓角處。





01
優化設計減小應力集中

嚴格控制螺栓的收尾尺寸消除應力集中:
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. 優化螺栓的頭下傾角也可以有效減少應力集中


e. 采用加強型的螺紋
加強型螺紋與普通螺紋的主要區別在外螺紋的小徑d1和牙根過渡圓角R。
加強型螺紋的主要特點是小徑d1較普通螺紋大些，牙根過渡圓角半徑增R大，減小螺栓的應力集中，且對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，這樣在螺栓的內部產生較大的殘余壓應力，從而減緩裂紋的形成及發展，因而提高螺栓的疲勞強度。
其中熱處理時還應防止脫碳現象的發生，對比無表面脫碳和有表面脫碳情況下螺栓的疲勞強度。
脫碳層由于碳被氧化，金相組織其滲碳體的數量較正常組織少，因此在力學性能上其強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度下降19.8%。
b. 磷化
螺栓表面磷化處理是為了防銹及穩定裝配時的摩擦。
但是磷化處理同時也可起到減磨作用。
在滾絲過程中降低滾絲輪螺紋和螺絲螺紋之間的摩擦力，這對滾絲后螺栓螺紋上的應力分布及降低螺紋表面粗糙度都將產生積極作用。


03
設置適當的預緊力

普通螺栓聯接的螺桿拉力主要被最前面的三牙受力螺紋承受。
當初始預緊力足夠大時，會使部分螺紋根部局部進入塑性變形，同時在這些螺紋根部產生殘余應力。
螺紋根部產生的殘余壓應力，能提高螺紋的疲勞強度。
同時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度。
預緊力越大，螺栓聯接抵抗聯接分離的能力越大，抵抗預緊力松弛的能力越強。
同時螺栓聯接的實際有效疲勞強度也越大。
因此，增大螺栓聯接的預緊力， 利于提高螺栓聯接抵抗循環外載作用下疲勞失效的能力，使螺栓聯接在振動沖擊力與有限超載作用下產生疲勞失效的風險變得更小。

高強螺栓強度等級區分及數字的含義