ASTM F3125/F3125M： 2019 鋼結構用高強度螺栓連接副標準解讀

任赤兵， 凌慶華， 何美萍

（1.杭州大通三代科技有限公司， 浙江杭州 311103； 2.浙江燁凌實業有限公司， 浙江杭州 311243）

0 引言

1947 年美國首次設立鋼結構栓接件材料研究機構RESEARCH COUNCIL ON STRUCTURAL CONNECTIONS（RCSC），開始研究應用于高層建筑、鋼結構廠房、橋梁、鐵路及其他鋼結構件螺栓連接副的產品性能和材料及裝配連接要求。 1951 年提出ASTM A325 高強度螺栓連接件的技術標準，1961 年研究并開發強度比ASTM A325 還高的ASTM A490 合金鋼螺栓連接件副，RCSC 機構于1964 年推出ASTM A325 或A490《螺栓的結構連接件的技術規范》，1970 年開發了熱浸鍍鋅A325 螺栓和3型耐腐蝕材料，1986 年ASME 和ASTM 又以ISO 標準為基礎， 新制定A325M 和A490M 米制鋼結構用高強度螺栓標準， 以后又陸續發布了扭剪型螺栓F1852 和F2280標準。

RCSC 機構主要是制訂發布包括鋼結構用高強度螺栓（包括螺栓、螺母、墊圈、性能（材料）技術規范）及鋼結構高強度螺栓施工裝配規范要求的兩方面內容。 鋼結構工程及建筑用高強度螺栓連接副示意圖見圖1。

圖1 鋼結構工程及建筑用高強度螺栓連接副

1 美制鋼結構螺栓標準變更

1.1 標準變更特點

2015 年，ASTM F16.02 緊固件分技術委員決定合并和替代六個現行鋼結構螺栓系列標準（A325/A325M/A490/A490M 和F1852/F2280），用已發布ASTM F3125/F3125M：2015《熱處理、最小抗拉強度120 ksi（830MPa）和150 ksi（1040 MPa）、 英制和米制鋼及合金鋼高強度結構用螺栓技術條件》來替代、整合為一個鋼結構螺栓標準。 消除原重復的螺栓等級、型式等技術條件。與其他螺栓標準不同，F3125 并未涵蓋產品標準（見表1）。在F3125 標準中將原來的六個鋼結構用螺栓標準的名稱都改為螺栓等級（例如，原A490 標準更新為F3125 標準中的A490 等級）。 保留了傳統的螺栓類型名稱 （即耐候鋼的類型3 和其他高強度鋼的螺栓的類型1），現在統稱為：A325，A490，A325TC（F1852），A490TC（F2280）或A325M（8.8S），A490M（10.9S）六個性能等級， 而不是原各自獨立的標準了。 其中有兩種螺栓型式：F1852 和F2280 被稱為“扭剪型螺栓Twist-Off Bolts”，而其他類型是“大六角頭螺栓Heavy Hex Bolts”，見圖2。

表1 合并和替代六個ASTM 鋼結構螺栓系列標準

圖2 二種高強螺栓連接副

自2015 年來已修訂變更了五次， 現行的是ASTM F3125/F3125M：2019e2。

1.2 F3125 與螺栓產品標準的關系

F3125 包含有二個英制A325/A490、二個米制A325M/A490M 的大六角高強度六角螺栓和二個英制的F1852/F2280 的扭剪型高強度螺栓型式， 其尺寸標準分布在相關的ASME 產品標準之中，見表2。

表2 新頒發鋼結構用大六角頭螺栓副及產品標準

（1） 英制系列大六角螺栓產品。 英制系列鋼結構用大六角螺栓產品的型式和尺寸內容均在ASME B18.2.6：2019《適用于鋼結構的英制緊固件》標準之中，一套組件包括一個大六角頭螺栓、一個大六角螺母（相似ISO 標準的2 型）和二個或至少一個淬硬墊圈組成，其性能等級（120/105ksi 和150ksi） 包括在ASTM F3125 標準中的A325 和A490 兩個等級之中。

（2）米制系列大六角頭螺栓產品。米制系列鋼結構用螺栓產品的型式和尺寸均在ASME B18.2.6M：2012 《適用于鋼結構的米制緊固件》標準之中，現B18.2.6M 標準已代替了ASME B18.2.3.7M，一套組件包括一個大六角頭螺栓、一個大六角螺母和二個或至少一個淬硬墊圈組成，其性能等級（830 MPa 和1040 MPa）包括在ASTM F3125M之中的A325M 和A490M 二個強度等級之中。

（3）扭剪型螺栓。 英制系列扭剪型螺栓ASTM F1852和ASTM F2280 的型式尺寸按ASME B18.2.6 執行， 一套組件包括一個扭剪型（圓頭或六角頭）螺栓、一個螺母和至少一個淬硬墊圈組成，性能等級（120/105ksi 和150ksi）包括在ASTM F3125 中的A325TC 和A490TC 二個等級。

2 F3125/F3125M 標準技術條件

2.1 概述

標準包括用碳鋼、合金鋼及耐腐蝕鋼制造的1 型和3型，淬火并回火的兩個強度等級，英制和米制大六角高強度螺栓或扭剪型高強度螺栓技術要求， 包括規定的化學成分、表面處理、潤滑、機械性能、旋轉能力（扭矩和軸力）和扭剪型緊固軸力的試驗方法。 碳鋼和合金鋼高強度結構螺栓的等級、類型和型式見表3。

表3 碳鋼和合金鋼高強度結構螺栓的等級、類型和型式

2.2 規格和等級

規格范圍英寸制1/2″～1-1/2″，米制M12～M36。

1 型——抗拉強度120ksi（830MPa），碳鋼、碳硼鋼、合金鋼或合金含硼鋼

1 型——抗拉強度150ksi（1040MPa），合金鋼或合金含硼鋼

3 型——抗拉強度120ksi（830MPa）和150ksi（1040MPa），耐腐蝕鋼材料

2.3 鋼結構用大六角頭螺栓、螺母和墊片匹配

（1）大六角頭螺栓的尺寸、配合螺紋及標記要求（見表4）。

表4 大六角頭螺栓尺寸、螺紋、標記

（2）扭剪型螺栓的尺寸、配合螺紋及標記要求（見表5）。

表5 扭剪型螺栓尺寸、螺紋、標記

（3） 大六角和扭剪型螺栓與螺母及墊片的匹配元件要求（見表6）。

表6 大六角和扭剪型螺栓和螺母及墊片的匹配元件

（續表6）

2.4 材料和制造

2.4.1 生產方法

螺栓應冷鐓、 熱鍛、 機加工或其他的機加工方法。

2.4.2 熱處理

（1）所有螺栓都應在加熱并在奧氏體化溫度下，在油液中淬火。（2）所有螺栓的回火溫度不低于800℉/427℃。（3）螺紋可以是滾制或切削加工。

2.4.3 化學成分

（1）A325 和A325M（120ksi/830MPa）的1 型螺栓應由碳鋼、合金鋼或添加硼的合金鋼生產，應符合標準中表3“化學成分要求”規定。

（2）A490 和A490M（150ksi/1040MPa）的1 型螺栓應由合金鋼或添加硼的合金鋼生產，應符合標準中表3“化學成分要求”規定。

（3）耐腐蝕3 型螺栓應由符合規定的化學成分的耐候鋼制造。以腐蝕指數為基礎的化學成分可被使用，應符合標準中表3“化學成分要求”規定。

（4）從成品螺栓上取得的產品化學分析，應不超過熔煉分析所要求值的允差10%，比如：熔煉分析C 0.30%～0.52%，則成品分析應C 0.27%～0.57%。

2.4.4 涂覆或其他

（1）表面涂覆的允許的種類包括在表7 中。

表7 允許的涂層規范

（2）當要求螺栓表面涂覆時，買方應指定或附加特殊要求。

（3）螺栓副的組件（螺栓、螺母和墊片）應由相同的方法涂覆， 同一批里每種另件只能用同一種涂覆工藝和同一批生產，不允許混雜其他有任何不同涂覆工藝的產品。

（4）120ksi 和830MPa 螺栓副適用涂層。 120ksi 和830MPa 螺栓副的表面涂覆， 應由熱浸鍍鋅、 機械沉積鍍鋅、鋅/鋁防蝕涂層（達克羅）、富鋅底涂層和有機/無機鋁防腐涂層和無鉻鋅鱗片復合材料， 有或無潤滑劑防腐蝕涂層。

（5）150ksi 和1040MPa 螺栓副適用涂層。 150ksi 和1040MPa 螺栓組件的表面涂覆，由鋅/鋁防蝕涂層（達克羅）、 富鋅底涂層和有機/無機鋁防腐涂層和無鉻鋅片復合材料，有或無潤滑劑防腐蝕涂層。 其他涂層必須按IFI 144 被證明是合格的，該等級不推薦熱浸鍍鋅，考慮因素是在涂覆的前預處理， 可能會接觸酸液和工藝過程中會引起氫脆的風險，但EN14399 系列的HV/HR10.9 級優先推薦采用熱浸鍍鋅，這一規則要引起我們的注意。

（6）按IFI 144 規定進行氫脆測試，內部氫脆按測試檢驗方法F1940，環境氫脆按試驗方法F2660。

（7）涂層應符合規范的最小厚度要求。出于強度考慮，螺母擴孔量允差在ASTM A563 標準中。

（8）熱浸鍍鋅應在鍍后再攻牙，不允許回攻螺紋，附帶潤滑涂層應是在螺母攻牙后再涂覆。

美國ASTM F16.03 緊固件涂層分工作小組于2020年7 月1 日發布F3393：2020《緊固件鋅片涂層》標準，旨在合并和替代現行的三個在用的ASTM 緊固件鋅片涂層（F1136/F1136M：2019、F2833：2017、F3019/F3019M：2019）標準。 新標準已函蓋了緊固件鋅片涂層的技術要求、分類，等級，防腐和基本要求。

同時，ASTM F16.03 還著重申明F3393 規范的技術要求，在ASTM F3125/F3125M 中已得到了驗證，經測試合格，能滿足要求。的實物楔負載測試，應符合表8 中規定的楔負載要求。

（2） 螺栓公稱長度＜2.25D 至2D 且規格≤1 英寸或≤M24 的，做不了楔負載測試，應按F606/F606M 進行實物軸向拉力試驗，并應符合表8 中規定的最小拉力和保證載荷。

表8 螺栓實物試驗的抗拉強度要求

（3）公稱長度＜2D 且規格≤1 英寸或≤M24 的，以及公稱長度＜3D 且規格＞1 英寸或＞M24 的， 做不了軸向拉伸試驗，應以硬度為基準進行鑒定。

（4）實物測試的斷裂應位于螺栓的螺紋上，而不應斷在頭桿結合部。

（5）當螺栓的長度無法做實物測試時，機加工試樣應被測試并且應符合表9 規定的要求。當螺栓既做了實物測試，又做了機加工試樣測試時，以實物測試結果優先。

表9 機加工試樣的抗拉強度要求

2.5 拉伸性能

（1） 螺栓公稱長度≥2.25D 且直徑≤1 英寸或≤M24，以及公稱長度≥3D 且規格＞1 英寸或＞M24，應按F606/F606M

2.6 硬度

螺栓應符合表10 的硬度要求，對于螺栓硬度和拉力試驗，如果發生硬度偏低，應以拉伸的結果判定為主，但上限硬度不能超過要求。

表10 螺栓硬度要求

2.7 潤滑

（1）高強度螺栓連接副應由生產廠家或供貨方對至少有一個（螺栓或螺母或墊片）進行適當的潤滑，包括涂層的外觀顏色、附帶潤滑或規定密封劑），但最終能滿足高強度大六角螺栓連接副的扭矩和軸力及旋轉能力試驗的要求。

（2）扭剪型螺栓至少有一個（螺栓、螺母或墊片）進行適當的潤滑， 包括涂層處理顏色、 附帶潤滑或規定密封劑），但最終能滿足扭剪型高強度螺栓的緊固軸力要求。

（3）用在同一批高強度緊固件連接副的潤滑，買方的試驗應與生產廠家在測試中是一致的。

（4）根據RCSC 規范允許大六角螺栓連接副在交付前進行潤滑，也可以協議在安裝時進行潤滑。

但扭剪型螺栓連接付必須在交付之前潤滑處理完好。

2.8 試驗方法

鋼結構螺栓組件包括機械性能試驗和裝配功能性試驗二項。

圖3 F3125 螺栓組件試驗項目關系圖

2.8.1 機械性能試驗項目

（1）抗拉強度。 抗拉強度應使用F606/F606M 實物產品的楔負載或軸向拉力試驗或者機加工試驗， 試驗樣本數量和取樣方法按照F606 標準中表4 “試驗數量和測試方法或準則”的規定實施。

（2）保證載荷。 保證載荷應采用F606/F606M 方法1“長度測量法”或方法2“屈服強度法”來確定，由生產廠家任選。

（3）150ksi（1040MPa）螺栓的要進行增碳（滲碳）/脫碳檢測。

（4）磁粉探傷檢查：①150ksi（1040MPa）螺栓，如果生產廠家的樣品檢查期間發現任何的不合格螺栓， 全批應進行100%磁粉探傷； 按E709 指南或E1444/E1444M 進行，仲裁試驗按E709 指南進行；②通過樣品來判定批的合格性，應沒有不合格缺陷，表面缺陷的判定參照F788標準； ③如果生產廠家的樣品在探傷檢查期間發現有任何的不合格螺栓， 則全批螺栓應進行100%磁粉探傷，所有不合格螺栓都應被銷毀； ④渦流或液體滲透檢測進行100%磁粉探傷檢查應可接受的。 渦流或液體滲透檢測完成時，應使用磁粉探傷對同批樣品及抽取樣本進行復查。當有爭議時，以磁粉探傷檢查為準。

（5）增碳/脫碳。 ①該試驗是為了評估是否有增碳和脫碳， 通過靠近螺紋處表面和螺紋齒根處的顯微硬度差異來確定；②增碳（滲碳）：當按F2328 和F2328M 規定試驗方法評估時，螺栓應無表面增碳（滲碳）跡象；③脫碳：硬度差異值不應超過F2328 和F2328M 中規定脫碳的要求；④其他試驗方法。

末具體詳述規定的檢驗項目的試驗方法，可按F606和A370 執行。

2.8.2 功能性試驗

鋼結構螺栓連接副的功能性試驗 （即安裝旋轉能力（RC））略有別于歐洲EN 14399-2 的試驗方法，雖然全過程試驗并末規定扭矩系數K 值，美標的試驗過程程序和參數要求有所不一樣，但試驗原理是一樣的，安裝旋轉能力本質就是考核連接副的潤滑狀態， 評估扭矩系數K值，達到規定安裝軸力和扭矩值的大小，進一步確定在不同的涂層（熱浸涂層）時裝配功能及螺母擴孔量、螺栓強度、熱處理性能和材料延展性，以確保裝配（螺栓、螺母和墊圈）時以達到預緊軸力要求，而不出現早期失效。

安裝旋轉能力測試應包含一個螺栓、 一個螺母和至少一個墊圈的組合。 試驗方法用于A325、A325M、A490、A490M 螺栓和所推薦的螺母配對。 其他諸如A354 和A449標準，也可參考此要求作為試驗指南。

抽樣應按F1470 標準規定， 扭矩軸力試驗檢驗水平為C 級，當檢驗批N≤3200 件，抽取樣本n=3 件；當N≤35000 件，抽取樣本n=4 件。

有或無涂層的緊固件組合件， 旋轉能力測試可以被指定。安裝旋轉試驗樣本應屬同一個生產批號，它必須是獨一無二的， 安裝旋轉測試報告和產品標識以保持生產批是可溯源。

2.9 F3125/F3125M 大六角螺栓組件的安裝旋轉能力試驗

大六角螺栓組件安裝旋轉能力試驗方法包括二項， 以替代ASTM A325/A325M：2014 的旋轉能力試驗方法和規則。

被測試螺栓應是一套組件， 在扭矩軸力試驗儀上進行測試，分“長螺栓方法”或“短螺栓試驗方法”二項試驗方法進行，見圖4。

圖4 實裝旋轉能力二項試驗程序

長螺栓和短螺栓的定義劃分，在F3125 中沒有明確，作者認為以試驗儀器的能力來確定。

2.9.1 長螺栓旋轉能力試驗（RC）

（1）長螺栓組件試驗程序，見圖5。

圖5 試驗方法一:長螺栓旋轉試驗程序

（2） 長螺栓旋轉能力試驗驗收評判準則。 ①檢查螺紋無剪切破裂、脫扣、扭力失敗的現象；②無法用手轉動螺母被認為是螺紋失效。螺栓斷裂則試驗無效；③如果所有樣品在全程旋轉以后均滿足表A2.2、表A2.3 和表A2.4的要求，則組合批通過旋轉能力測試；④如果組合件未能通過以下任何一個要求，則該批應被認為不合格：a）超過表A2.2 的最大允許扭矩；b）組合件沒能達到表A2.4 中的旋轉要求；c）在安裝到表A2.3中所規定的旋轉后沒能將螺母卸下；d）全程旋轉后沒能達到表A2.4 所要求的軸力；e）在隨后的螺栓和螺母螺紋分離過程中通過目測發現螺紋有剪切破壞；f）螺栓的扭轉或扭轉/拉伸斷裂；⑤螺栓在螺母與螺栓頭部之間的螺紋發生伸長是被預期的 （塑性變形），不認為是失效。

在RCSC 標準中針對結構連接件的高強度螺栓最小設計裝配軸力是70%抗拉強度。

該項測試方法的加載軸力與EN 14399-2 的70%規定公稱強度時檢查扭矩的大小，即一個概念，本質就是檢查扭矩系數K 值的大?。櫥瑺顟B）。 RC 的旋轉能力測試實質也是考核螺栓的機械性能指標， 即潤滑狀態和螺栓的韌性要求。

圖6 長螺栓旋轉試驗時軸力和角度曲線

2.9.2 短螺栓試驗程序

（1）短螺栓試驗程序，見圖7。

圖7 試驗方法二：短螺栓旋轉試驗的程序

（2） 短螺栓旋轉能力試驗驗收準則。①檢查無螺紋剪切破壞、脫扣或扭矩失敗的情況。 無法用手轉動螺母被認為是螺紋失效。 螺栓斷裂則試驗無效； ②如果所有樣品在旋轉以后均滿足試驗的要求，則組合批通過旋轉能力測試；③如果組合件未能通過以下任何一個規定要求， 則該批應被認為不合格；④超過表A2.6 的最大允許扭矩；⑤沒能達到表A2.7 中旋轉角度要求； ⑥按表A2.6 的旋轉規定角度后沒能將螺母擰出； ⑦在隨后的螺栓和螺母螺紋分離過程中通過目測發現螺紋有剪切破壞； ⑧螺栓的扭轉或扭轉/拉伸斷裂。

2.9.3 扭剪型螺栓緊固軸力試驗F1852/F2280

試驗要求：①試驗應在10℃～32℃的環境溫度下進行；②軸力測量裝置應按規定期限校準， 但不得低于每年一次；③檢驗批樣本大小應按F1470 的檢驗水平C 級。

緊固軸力試驗（最小軸力，lbf 和kN）要滿足標準中表8“扭剪型組合安裝拉力試驗（最小拉力，磅力lbf）”的要求。

2.9.4 安裝和緊固軸力試驗

（1）將螺栓、螺母、墊圈和墊片裝到扭剪型螺栓專用安裝裝置中。 安裝墊片以便螺母支承面和螺栓頭下之間留有（3～5）個螺距，用墊圈連接螺母完成組裝。組件的初始軸力約為標準中表8“扭剪型組合安裝拉力試驗（最小拉力，磅力lbf）”規定的最小平均軸力的10%。

（2）使用扭剪型螺栓專用安裝工具，梅花鍵槽套固定住螺栓的花鍵末端為旋轉的反力， 同時旋轉螺母加載扭矩，持續擰緊直到剪斷花鍵槽為止。

（3）試驗期間螺栓頭不能旋轉。

（4）花鍵的剪斷應發生在剪切槽內。

（5）記錄花鍵軸末端溝槽剪斷后的軸力作為扭剪型螺栓安裝軸力。 組合批的平均軸力讀值應滿足或超過標準中表8 的最小緊固軸力。