不銹鋼螺栓拉伸試驗中遇到的問題及解決方法

胡乃冬，張喜臣，魯冬瑞

（中國建筑科學研究院 建筑環境與節能研究院，北京 100020）

不銹鋼螺栓具有耐高溫，防生銹，防腐蝕等良好的機械性能，又有足夠的強度和良好的塑性，廣泛的應用在建筑、通訊、電力、機械、化工等行業。

在建筑幕墻領域中不銹鋼螺栓使用較多，承擔著幕墻與主體的連接，橫梁立柱的節點連接，轉角處的拼縫連接，石材幕墻掛板連接等重要部位的連接任務，對幕墻的整體性能起到重要的作用。因此對不銹鋼螺栓的檢測也就至關重要。

現階段對不銹鋼螺栓的檢測包括現場的無損檢測和實驗室的檢測，針對實驗室的檢測主要依據GB/T 3098.6《緊固件機械性能不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》，但是在檢測的過程中發現抗拉強度的計算對于有些螺栓并不適用，斷后伸長量的合格標準也有待改善。

1 不銹鋼螺栓斷裂位置的問題及解決方法

1.1 不銹鋼螺栓的斷裂位置

對于全螺紋的不銹鋼螺栓一般斷裂在螺桿的中間，根據GBT3098.6中的規定，不銹鋼螺栓不應斷裂在頭部，帶無螺紋桿部的不銹鋼螺栓斷裂不應發生在頭與桿交接處。一般在螺栓拉伸試驗中，斷裂會發生在有缺陷或者橫截面面積較小的斷面，但是通過不銹鋼螺栓的拉伸試驗，發現一些帶無螺紋桿的不銹鋼螺栓出現斷裂位置在無螺紋桿處，如圖1所示，無螺紋桿部位直徑大于螺紋桿部位，因此檢測中出現這一現象時，需要進一步分析其原因：（1）根據檢測數據發現不同生產廠家生產的A2-70和A4-70的不銹鋼螺栓中均會出現帶無螺紋桿的螺栓斷裂在無螺紋桿處的現象，同時，同一生產廠家送檢的同一批螺栓中，一組（3套）樣品中也會有一套螺栓斷在無螺紋桿處，另兩套螺栓斷在螺紋桿處，這說明斷裂在無螺紋桿件處不是偶然現象，是有一定概率的事件。（2）進一步分析不銹鋼螺栓的化學成分，經過檢測，所有送檢的不銹鋼螺栓的化學成分包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu 均符合 GBT3098.6的相關規定，因此一些不銹鋼螺栓斷裂在無螺紋桿件處，與化學成分沒有關系。（3）螺栓的材質不均勻，是造成斷裂在無螺紋桿處的一個重要原因，通常選用優質的材質可以避免這一問題。

圖1 不銹鋼螺栓斷裂位置示意圖

1.2 抗拉強度Rm的計算方法

斷裂位置直接影響著其抗拉強度和屈服強度的計算，GBT3098.6中并未對此做特殊的說明，根據GBT3098.6，抗拉強度計算公式如下：

螺栓拉伸試驗最大荷載，N；

螺紋公稱應力截面面積，mm2。

當斷裂位置在螺紋處時，計算的，可以根據GBT3098.6進行合格的評定，但是當斷裂在無螺紋桿處時，由于荷載更大，仍然使用作為斷裂的截面面積，得到的結果明顯偏大，計算結果見表1，而且與實際不符合，為工程設計增加了安全隱患。因此當斷裂在無螺紋桿處時建議采用如下公式：

其中：為實驗前實測無螺紋螺桿處橫截面面積。

此外，應當在檢測報告中注明螺栓的斷裂位置和螺栓無螺紋桿處實測直徑。對于屈服強度（規定塑性延伸率為0.2%時的應力）的計算也同樣應遵循上述原理。

2 不銹鋼螺栓斷后伸長量的問題及解決方法

2.1 斷后伸長量計算

斷后伸長量是衡量塑性變形的指標，其計算公式如下：

其中：表示斷后伸長量；

表示緊固件總長度；

表示斷后測量長度。

經過試驗，發現很多不銹鋼螺栓的斷后伸長量都遠遠大于GBT3098.6中規定的斷后伸長量，如表1所示，有的斷后伸長量達到標準要求的102.9%～395.8%。

2.2 影響斷后伸長量的因素

總結以上結果發現，影響斷后伸長量的因素主要有性能等級、試件的長度、試件的橫截面積以及化學成分。

由試件組M12A480110和M12A470110的結果可以看出性能等級越低，斷后伸長量越大。在GB/T3098.6中對于性能等級為50、70、80的螺栓，對應的斷后伸長量分別為 0.6d、0.4d、0.3d，也說明了性能等級越低，斷后伸長量越大。

不銹鋼螺栓的斷后伸長量隨試件的總長度的增加而增大，如圖2中（a）、（b）、（c）所示，這與文獻中得到的結果一致，拉伸試樣平行長度越長，斷后伸長率越高。

根據樣品組M8A480100和M12A480100的數據可以看出隨截面面積的增加，試樣斷后伸長量增大，如圖3所示，這與文獻中得到的結果一致。

從化學成分上對比可以發現，要求A4檢測的化學元素比A2的化學元素多一種Mo，并且C、P、Cr、Ni的含量要求也不相同，斷后伸長量的試驗結果表明，A4的斷后伸長量要比A2的斷后伸長量大20%～37.8%，如圖4所示。

3 結語

（1）不銹鋼螺栓拉伸實驗一般斷裂在螺桿的中部，帶無螺紋桿的螺栓因材質不均勻或者自身缺陷導致，會有一定的概率斷裂在無螺紋桿處，當斷裂位置出現在無螺紋桿件處時，建議采用實際測量的不銹鋼無螺紋桿的直徑進行計算，因此在實驗前應當提前測量無螺紋桿的實測直徑，以便斷裂在無螺紋桿處時方便計算抗拉強度。

表1 試件參數及實驗結果

圖2 不同長度的螺栓斷后伸長量對比圖

圖3 不同截面面積的螺栓斷后伸長量對比圖

圖4 A2、A4斷后伸長量對比圖

（2）隨著生產工藝的提高，有的不銹鋼螺栓的斷后伸長量比標準要求的最小斷后伸長量大出102.9%～395.8%，表現出良好的塑性性能；不銹鋼螺栓的性能等級越低，斷后伸長量越大；試件的長度越長，斷后伸長量越大；試件的應力橫截面積越大，斷后伸長量越大；A4的斷后伸長量要比A2的斷后伸長量大。因此在考慮不銹鋼螺栓塑性性能時，應綜合考慮以上4種因素進行比較分析，同時標準要求的最小斷后伸長率也應根據生產力水平和其他影響因素進行適當的調整。

[1] GB/T 3098.6,緊固件機械性能不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱[S].北京：中國標準出版社，2014.

[2] 阮軍.螺栓斷裂的形式及原因分析[J].客車技術，2002，（4）：50.

[3] 陳佳雯.金屬材料斷后伸長率影響因素的試驗研究[C]，中國金屬學會.第八屆（2011）中國鋼鐵年會論文集.北京：冶金工業出版社，2011，2902-2905.