随着科技的进步与发展，金相显微镜无论从结构还是光学系统都有了很大的改进和提高。GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》标准强调8.8级及以上产品材料必须具有良好的淬透性。GB/T3098.23-2020《紧固件机械性能M42~M72螺栓、螺钉和螺柱》标准也要求8.8级及以上产品材料必须采用合金钢，以保证紧固件螺纹段芯部在“淬硬”状态、回火前获得约90%的马氏体组织。
为此，金相检测在紧固件行业得到了迅速发展，金相检测不仅借助金相显微镜研究金属材料的内部组织结构，还可以用肉眼或在低倍放大镜下进行宏观检查。
中碳钢及中碳合金钢是汽车、工程机械、高铁、轨道交通、风电等领域高强度紧固件中广泛应用的一类钢种，一般其最终热处理状态为调质屈氏体或中温回火屈氏体，其力学性能很大程度上取决于马氏体组织的粗大程度。
随着各行业对紧固件质量的要求越来越严格，作为监控紧固件热处理质量的重要手段之一的金相检验标准也提出了更高的要求，因此有必要建立统一、客观、可量化的等级标准，以方便参考。
目前，国内对中碳钢、中碳合金钢淬火、回火组织检验的标准有GB/T 13320-2007《钢制模锻件金相组织评级图及评定方法》、GB/T38720-2020《中碳钢及中碳合金结构钢淬火金相组织检验》、JB/T9129-2000《60Si2Mn钢卷弹簧金相检验标准》。
但国外尚无对中碳钢及中碳合金组织淬火后检验与评定的标准。
由此可见，在实际生产中，如果采用不同的标准，可能会引起不必要的争议，因此需要对各标准进行全面的比较分析，以选取合理的评价标准。
01.标准适用范围
GB/T13320-2007标准适用于碳含量0.25%~0.60%的碳素结构钢或合金结构钢模锻件调质状态的金相组织评定。
但实际应用中很多紧固件都是由棒材或线材直接切割或镦粗而成，且热处理的目的也都相同，因此此标准只能作为参考。
JB/T9129-2000标准为60Si2Mn钢卷弹簧淬火及中温回火组织评定提供了考核依据，亦可作为其他硅锰钢、锰钢卷弹簧金相检验的参考。
GB/T38720-2020标准规定了常用中碳碳素结构钢和中碳合金结构钢的材料分类及质量要求、组织检验方法、淬火组织级别、组织评定。
本标准适用于中碳结构钢及中碳合金结构钢零件淬火、回火后金相组织的检验与评定,不适用于脱碳、过烧、等温淬火等组织的评定。
02. 原料要求
原材料质量的影响往往不被重视，有时还会造成混淆，误导热处理工艺的制定。
因此标准GB/T38720-2020规定原材料的化学成分、力学性能、一般孔隙率、中心疏松率、偏析、表面质量等应符合GB/T699、GB/T3077等的规定。常用材料牌号划分及相关标准如表1所示。
▲表1 常用材料牌号及相关标准
原材料的晶粒度按GB/T6394方法测定,应在5级以上。非金属夹杂物按GB/T10561方法检测,应符合表2的规定。
▲表2 非金属夹杂物等级要求
原材料的带状组织及低倍缺陷检验按GB/T1979、GB/T13299进行，Cr-Mo钢、Cr-Ni-Mo钢带状组织≤3级，其他钢种带状组织≤2级。
03. 检验相关要求
现有标准要求在500倍放大率下随机观察5个以上视野，并与标准图谱进行比较进行评级。
此外，GB/T38720-2020标准从“人、机、材料、方法、环境”五个方面对整个检测活动进行规范，确保检测结果的准确性。
其余标准明显缺乏相关监管要求。
目前部分企业在这方面做得还不够完善，如检测人员可能未经过专业培训，更没有相应的上岗证；检测过程中产生的废液未经过中和处理后集中处理；金相显微镜未定期检定，不能满足计量溯源要求等。
检验环境的温度、湿度、振动、腐蚀等钢结构应力应变检测，检验人员的资质、技能、检验质量等应符合GB/T34895-2017《热处理金相检验通则》的有关要求；检验试样的取样、制样、抛光、组织显示等应按照GB/T34895的规定进行。
04. 淬火组织等级及组织评价
1.淬火组织级别及组织描述，见表3。
▲表3 淬火组织级别及组织描述
2.1.淬火+180℃回火组织图，见图1至图10。
▲ 图1 板条马氏体+粗针状马氏体，1级
▲ 图2 板条马氏体+针状马氏体，2级
▲ 图3 板条马氏体+针状马氏体，3级
▲ 图4 板条马氏体+细针马氏体，4级
▲ 图5 细针状马氏体+板条马氏体，5级
▲图6 隐针马氏体（马氏体针长<7.9mm）+细针马氏体（7.9mm≤马氏体针长<15.9mm）+<5%铁素体（体积分数），6级
▲ 图 7 马氏体 + <10% 铁素体（体积分数），7 级
▲ 图8 马氏体+≥10%铁素体（体积分数），8级
▲ 图 9（a）马氏体+网状屈氏体，9 级
▲ 图 9(b) 马氏体+网状铁素体，9 级
▲ 图 10 马氏体 <80%（体积分数），10 级
标准GB/T38720-2020《中碳钢及中碳合金结构钢淬火金相组织检验》适用于中碳钢及中碳合金结构钢整体淬火或淬火+180℃回火组织马氏体组织的测试方法及马氏体金相图像对比方法。
试样制备及试样腐蚀与一般金相试样相同，马氏体照片放大倍数为500倍，评级过程中，通过对比500倍放大后的试样马氏体组织与标准评级图片，即可知道试样的马氏体级别。
2级至6级属于合格范围，大尺寸螺栓可以放宽至1级（马氏体针长度控制在≤44.9μm）。
标准是选取42CrMo钢作为母材，在牌号评定分类时，为了避免单纯依靠图集而造成的评定的不确定性和差异性，还考虑到晶粒大小会直接影响淬火后板条状马氏体和针状马氏体的长度，而淬火后马氏体的长度也代表了晶粒的大小。
马氏体针长是参照GB/T 6394-2017《金属材料平均晶粒尺寸测定方法》中表6“均匀、各向同性等轴晶粒的微观晶粒尺寸关系”中关于平均晶粒直径的数据进行定量划分的，以有效满足中碳钢及中碳合金钢淬火组织的牌号评定和质量控制。表4为马氏体牌号及马氏体针长与对应平均晶粒尺寸的对照。
▲表4 马氏体等级及马氏体针长度与对应的平均晶粒尺寸
2.2. 淬火+450℃回火对应的组织图如图11至图20所示。
▲ 图 11 回火屈氏体，1 级
▲ 图 12 回火屈氏体，2 级
▲ 图 13 回火屈氏体，3 级
▲ 图 14 回火屈氏体，4 级
▲ 图 15 回火屈氏体，5 级
▲ 图16 回火屈氏体+铁素体（铁素体含量<5%），6级
▲图17 回火屈氏体+少量铁素体（5%≤铁素体含量＜10%），7级
▲ 图 18 回火屈氏体+层状铁素体（铁素体>10%），8级
▲ 图19（a）回火屈氏体+网状屈氏体，9级
▲ 图 19（b）回火屈氏体+网状铁素体，9 级
▲ 图20 回火屈氏体+层状铁素体+贝氏体+珠光体，10级
调质紧固件的组织对应于淬火+450℃回火的组织。以90%回火屈氏体为基准，金相组织（图11至图16）可量化为1至6级。本标准等级表适用于12.9级及类似的合金结构钢或8.8级中碳钢调质的高强度螺栓。
当评定的调质组织在7级~10级之间（图17至图20）时，判定为不合格产品。
2.3. 淬火+600℃回火对应的组织图如图21至图30所示。
▲ 图 21 回火马氏体，1 级
▲ 图 22 回火马氏体，2 级
▲ 图 23 回火马氏体，3 级
▲ 图 24 回火马氏体，4 级
▲ 图 25 回火马氏体，5 级
▲ 图26 回火屈氏体+铁素体（铁素体含量<5%），6级
▲图27 回火屈氏体+少量铁素体（5%≤铁素体含量＜10%）钢结构应力应变检测，7级
▲ 图 28 回火马氏体+层状铁素体，8 级
▲ 图29（a）回火屈氏体+网状屈氏体，9级
▲ 图 29（b）回火屈氏体+网状铁素体，9 级
▲ 图30 回火屈氏体+层状铁素体+贝氏体+珠光体，10级
调质紧固件的组织对应于淬火+600℃回火的组织。以90%回火屈氏体为基准，金相组织（图21至26）可量化为1至6级。本标准等级表适用于8.8级和10.9级及类似等级合金结构钢调质处理的高强度螺栓。
当评定的调质组织在7级~10级之间（图27至图30）时，判定为不合格产品。
生产实践表明，在低温环境下服役的紧固件的验收等级为1～5级，评级时如有争议，可以以力学性能试验结果为准。
05.螺丝先生的经验与总结
我国高强度螺栓存在寿命短、可靠性差的问题，严重制约高端机械装备的发展和安全服役。
高强度螺栓决定了高端机械装备的主要连接功能，体现了机械装备的寿命、可靠性和经济承受能力，是高端机械制造的核心。
疲劳是螺栓在周期性应力和应变反复作用下，在一处或多处产生裂纹或断裂的失效模式，是一种机械损伤积累和延迟失效的过程。疲劳包括裂纹萌生和裂纹扩展两个过程，它发生在强度低于材料屈服强度时，在未发生明显变形的情况下突然失效。因此，与其他失效模式相比，疲劳是一种危险的失效模式。
汽车上的连接螺栓通常因拉-拉疲劳而失效，高强度螺栓的主要失效形式为疲劳，如汽车发动机服役环境复杂恶劣，既承受动载荷冲击，又受腐蚀环境影响，所用连接螺栓疲劳断裂率高达70%～80%。
材料组织对性能的影响是材料科学与工程的核心，紧固件不同组织形式的归纳与表征对性能影响很大，其中材料组织的均匀化是重中之重。热处理过程中组织不均匀引起的问题相当严重，大量高强度螺栓疲劳失效分析结果表明，70%以上的疲劳断裂是由于表面损伤、头部与杆部交界处脱碳、螺纹加工时出现明显的细小裂纹或不连续的切痕、表面腐蚀等引起的。其中最关键的是热处理淬火组织不均匀，例如淬火后扭曲甚至开裂、硬度不够、尺寸不稳定等。内部组织形态不均匀会直接影响断面收缩率和低温冲击功，可靠性和使用寿命会不断下降。
螺栓失效往往会导致严重的功能性甚至安全问题。学习贯彻GB/T38720-2020《中碳钢及中碳合金结构钢淬火金相组织检验》标准，从热处理工艺入手，降低疲劳失效风险。
新标准将充分吸收和体现当今新产品、新技术、新工艺的先进技术成果。为保证中碳钢、中碳合金钢紧固件的质量，必须严格控制热处理工序，保证其内在质量符合预定的要求。
金相检验是控制热处理后零件内在质量的重要手段之一，金相检验不仅能反映紧固件热处理的结果，还能考虑热处理工艺的合理性、热处理工艺的一致性，为紧固件热处理工艺技术优化及质量控制提供科学依据。
