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(xué)研究院 建筑環(huán)境與節(jié)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(jī)械性能，又有足夠的強(qiáng)度和良好的塑性，廣泛的應(yīng)用在建筑、通訊、電力、機(jī)械、化工等行業(yè)。

在建筑幕墻領(lǐng)域中不銹鋼螺栓使用較多，承擔(dān)著幕墻與主體的連接，橫梁立柱的節(jié)點連接，轉(zhuǎn)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(wù)，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(guān)重要。

現(xiàn)階段對不銹鋼螺栓的檢測包括現(xiàn)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(jù)GB/T 3098.6《緊固件機(jī)械性能不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》，但是在檢測的過程中發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度的計算對于有些螺栓并不適用，斷后伸長量的合格標(biāo)準(zhǔn)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(jù)GBT3098.6中的規(guī)定，不銹鋼螺栓不應(yīng)斷裂在頭部，帶無螺紋桿部的不銹鋼螺栓斷裂不應(yīng)發(fā)生在頭與桿交接處。一般在螺栓拉伸試驗中，斷裂會發(fā)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(fā)現(xiàn)一些帶無螺紋桿的不銹鋼螺栓出現(xiàn)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(xiàn)這一現(xiàn)象時，需要進(jìn)一步分析其原因：（1）根據(jù)檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的A2-70和A4-70的不銹鋼螺栓中均會出現(xiàn)帶無螺紋桿的螺栓斷裂在無螺紋桿處的現(xiàn)象，同時，同一生產(chǎn)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(xiàn)象，是有一定概率的事件。（2）進(jìn)一步分析不銹鋼螺栓的化學(xué)成分，經(jīng)過檢測，所有送檢的不銹鋼螺栓的化學(xué)成分包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu 均符合 GBT3098.6的相關(guān)規(guī)定，因此一些不銹鋼螺栓斷裂在無螺紋桿件處，與化學(xué)成分沒有關(guān)系。（3）螺栓的材質(zhì)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(yōu)質(zhì)的材質(zhì)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(qiáng)度Rm的計算方法

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

螺栓拉伸試驗最大荷載，N；

螺紋公稱應(yīng)力截面面積，mm2。

當(dāng)斷裂位置在螺紋處時，計算的，可以根據(jù)GBT3098.6進(jìn)行合格的評定，但是當(dāng)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(jié)果明顯偏大，計算結(jié)果見表1，而且與實際不符合，為工程設(shè)計增加了安全隱患。因此當(dāng)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(yīng)當(dāng)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(qiáng)度（規(guī)定塑性延伸率為0.2%時的應(yīng)力）的計算也同樣應(yīng)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(biāo)，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(jīng)過試驗，發(fā)現(xiàn)很多不銹鋼螺栓的斷后伸長量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GBT3098.6中規(guī)定的斷后伸長量，如表1所示，有的斷后伸長量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的102.9%～395.8%。

2.2 影響斷后伸長量的因素

總結(jié)以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(xué)成分。

由試件組M12A480110和M12A470110的結(jié)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(yīng)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(xiàn)中得到的結(jié)果一致，拉伸試樣平行長度越長，斷后伸長率越高。

根據(jù)樣品組M8A480100和M12A480100的數(shù)據(jù)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(xiàn)中得到的結(jié)果一致。

從化學(xué)成分上對比可以發(fā)現(xiàn)，要求A4檢測的化學(xué)元素比A2的化學(xué)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(jié)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(jié)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(zhì)不均勻或者自身缺陷導(dǎo)致，會有一定的概率斷裂在無螺紋桿處，當(dāng)斷裂位置出現(xiàn)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(jìn)行計算，因此在實驗前應(yīng)當(dāng)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(qiáng)度。

表1 試件參數(shù)及實驗結(jié)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(chǎn)工藝的提高，有的不銹鋼螺栓的斷后伸長量比標(biāo)準(zhǔn)要求的最小斷后伸長量大出102.9%～395.8%，表現(xiàn)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(yīng)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(yīng)綜合考慮以上4種因素進(jìn)行比較分析，同時標(biāo)準(zhǔn)要求的最小斷后伸長率也應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)力水平和其他影響因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

[1] GB/T 3098.6,緊固件機(jī)械性能不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[2] 阮軍.螺栓斷裂的形式及原因分析[J].客車技術(shù)，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(xué)會.第八屆（2011）中國鋼鐵年會論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2011，2902-2905.