摘要：目前国内外对不锈钢高强度螺栓的研究较少，螺栓产品规格缺乏统一标准。 为了研究不锈钢高强螺栓的力学性能和拧紧方法，本文对两种新型10.9级不锈钢高强螺栓进行了物理拉伸试验、硬度试验和紧固性能试验，得到了抗拉强度、螺栓的硬度等。 决定不锈钢高强螺栓预紧力和拧紧工艺的重要指标。 结果表明，两种不锈钢高强螺栓均满足10.9级高强螺栓力学性能要求； 不锈钢螺栓在拧紧过程中会卡住，润滑剂Molykote D321R对不锈钢螺栓具有最佳的减摩和润滑效果。 ，可将不锈钢高强螺栓扭矩系数降低至钢结构用高强螺栓扭矩系数极限值； 对于扭矩法和角度法两种施加螺栓预紧力的方法来说，扭矩法获得的螺栓预紧力一致较高； 提出了不锈钢高强螺栓施工预紧力的要求，并给出了其施工扭矩，为工程应用提供参考。
0 前言
不锈钢材料因其良好的耐腐蚀性和耐久性、优异的机械性能和加工性能以及较低的生命周期成本而广泛应用于建筑结构领域[1,2]。 目前，国内外对不锈钢结构的研究还不完善，主要集中在材料的力学性能和构件的稳定性方面，对不锈钢结构的连接研究较少。 高强螺栓摩擦连接是一种装配方便、安全可靠的节点连接方法。 常用于钢结构的连接。 在一些恶劣的腐蚀环境下，不锈钢高强螺栓连接比焊接更可靠。
但我国《不锈钢结构技术规范》（CECS 410-2015）[3]尚不推荐在不锈钢结构中使用高强度螺栓摩擦连接。 欧洲[4]、美国[5]和澳大利亚/新西兰[6]不锈钢结构设计规范也不包括高强度螺栓摩擦连接的规定。 同时，我国不锈钢螺栓产品标准[7]尚未列入不锈钢高强度螺栓，而日本不锈钢结构设计规范[8]规定了10.9级F10T不锈钢的强度等级和预紧力值螺栓。 由于没有统一的标准，国内外学者进行的不锈钢螺栓连接研究中使用的螺栓均是公司自主研发的不锈钢螺栓或碳钢用高强度螺栓。 其中，王元庆等人。 文献[9,10]对采用A4-70、A4-80不锈钢螺栓和10.9级高强镀锌螺栓连接的不锈钢板进行防滑系数试验，发现不锈钢表面的防滑系数为相对较小。 低的。 阿夫扎利等人。 [11,12] 和 Tendo 等人。 [13]分别研究了奥氏体不锈钢螺栓（Bumax 88、Bumax 109）、双相不锈钢螺栓（Bumax DX、BumaxLDX）和沉淀硬化不锈钢17-4PH。 高强度螺栓进行了预紧力松弛试验。 除了产品缺陷外，不锈钢螺栓在拧紧时还容易出现“卡丝”现象，严重影响其拧紧机构。 为此，Stranghöner 等人。 [14] 魏培新等. [15-17]探讨了不锈钢螺纹咬死的机理，并提出了润滑、冷却等防螺纹咬死措施。 郑宝峰等. [18,19]使用各种润滑机制对DG和TEI等各种不锈钢螺栓进行了紧固性能测试。 他们发现，对不锈钢螺栓施加预紧力会加剧螺纹卡死现象，合理的润滑至关重要。 很少。
综上所述，我国现有不锈钢螺栓产品的力学性能无法满足钢结构用10.9级高强度螺栓标准[20,21]，卡死现象会导致其预紧力达不到设计值且不能满足结构要求。 安全使用的要求严重阻碍了高强度螺栓连接在不锈钢结构中的应用。 不锈钢高强螺栓的产品规格更加不完善，缺乏统一标准，急需相关研究。 因此，本文对研制的两种10.9级不锈钢高强螺栓进行力学性能试验，获取其抗拉强度、硬度等力学性能参数，确定预紧力的设计值，并进行两项润滑措施。 紧固性能试验探索螺栓的拧紧过程，确保预紧力在螺栓上的有效应用，并为施工预紧力、扭矩系数和施工扭矩提供推荐值。
1 不锈钢高强度螺栓的研究与开发
本文选用高强度沉淀硬化不锈钢作为螺栓的加工材料，对不锈钢高强度螺栓进行研发。 根据《不锈钢及耐热钢牌号及化学成分》（GB/T 20878-2007）[22]，选用沉淀硬化不锈钢牌号为05Cr17Ni4Cu4Nb，统一数字代号为S51740，化学成分如图见表 1。
本文试验所用的螺栓试件主要有两种：（1）采用国产沉淀硬化不锈钢S51740制成的新型10.9级不锈钢高强螺栓，（2）经过QPQ处理后的10.9级不锈钢高强螺栓，所有螺栓规格均为M20×80，如图1所示。均在加工过程中进行热处理，以提高其强度和硬度。 其中QPQ处理是QPQ盐浴复合处理技术（又称氮碳氧复合处理技术）的简称[23]，可以显着提高金属表面的耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀性零件，并有效降低摩擦系数[24,25]。 此外，第一种类型的螺栓使用两个制造商的产品进行了测试。
新型10.9级不锈钢高强度螺栓的尺寸按照《钢结构用高强度大六角头螺栓》（GB/T 1228-2006）[26]加工。 按《高强度大六角螺母》（GB/T1229-2006）[27]和《钢结构用高强度垫片》（GB/T 1230-2006）[28]加工。该型螺栓为大六角头螺栓与被紧固零件有较大的接触面，能更好地防止应变松弛，具有较好的紧固效果。
2 测试计划
2.1 机械性能测试
2.1.1 拉伸试验
根据《紧固件螺栓、螺钉和螺柱机械性能》（GB/T 3098.1-2010）[20]，以获得不锈钢高强度螺栓的抗拉强度，进而确定预紧力的设计值螺栓，现将图1所示螺栓进行物理拉伸测试。 拉伸试验共设计24个试件，分为3种类型，分别命名为T-PH1、T-PH2和T-PHQ。 其中，T-PH1-1~T-PH1-8为厂家1生产的不锈钢高强度螺栓，T-PH2-1~T-PH2-8为厂家2生产的不锈钢高强度螺栓， T-PHQ-1~TPHQ-8为厂家1生产的经QPQ处理的不锈钢高强度螺栓。
拉伸试验在如图2所示的液压万能试验机上进行。试验机的最大拉伸载荷为1000 kN。 试验采用位移加载，位移速率控制在1.0 mm·min-1。 本文还设计了一套专用辅助夹具来固定螺栓，如图3所示。试验时，先将螺栓拧紧在夹具上，然后再对夹具加载。 拉伸载荷可以通过夹具转移到螺栓上。 螺栓在加载过程中的变形反映了其刚度随载荷的变化，是试验的关键信息。 为了获得完整的载荷-位移曲线，试验同时使用位移计和新的测量方法——摄影测量[29,30]来捕捉螺栓的位移，并在辅助夹具的正面画上标记点。
2.1.2 硬度测试
根据《金属材料洛氏硬度试验第一部分：试验方法》（GB/T 230.1-2018）[31]，对不锈钢高强螺栓进行硬度试验，螺杆截面的芯部硬度并对螺母和垫圈的表面进行了测量。 硬度。 硬度测试共测量了9个试样，分为3种类型，分别命名为H-PH1、H-PH2和H-PHQ。 其中，H-PH1-1~H-PH1-3为厂家生产的不锈钢优质试件1。强度螺栓，H-PH2-1~H-PH2-3为厂家生产的不锈钢高强度螺栓2、H-PHQ-1~H-PHQ-3为厂家1生产的经过QPQ处理的不锈钢高强度螺栓。
硬度测试在TH-320数显洛氏硬度计上进行，采用HRC标尺自动加载、直接读数。 每个试件取5个测量点进行测量。 除去5个测点的最大和最小读数后，取剩余3个测点的平均值作为试件的硬度。
2.2 紧固性能测试
不锈钢高强度螺栓紧固性能试验依据《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母和垫圈技术条件》（GB/T 1231-2006）[21]和《 《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205-2020）[32]在轴力扭矩试验机上进行，如图4所示。试验机型号为QBN2000-L，最大扭矩2000N·m，最大轴向力500 kN。 特殊情况下可使用50%以上量程。 试验机可根据试验需要设定加载的轴向力或扭矩，达到预设的轴向力或扭矩时自动停止加载。 试验时，将螺栓安装到配套工装中，螺栓头被夹具夹紧不旋转，通过套筒对螺母施加扭矩。 在螺栓拧紧过程中，试验机可自动同步记录螺栓的轴向力、扭矩和旋转角度。 本次试验按预设轴向力控制，拧紧时转速均匀为1.0 rad·s-1。
我国《不锈钢结构技术规程》（CECS 410-2015）[3]规定，不锈钢构件采用高强螺栓摩擦式连接时，高强螺栓预紧力P应根据性能等级高强度螺栓按照《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）[33]确定。 根据GB 50017规定，高强度螺栓的预紧力P是根据螺栓的抗拉强度，然后考虑必要的系数，利用螺栓的有效截面计算确定的，如图以下公式：
式中：P为高强螺栓的预紧力，fu为螺栓的抗拉强度，Ae为螺纹处的有效应力面积。 本次试验螺栓预紧力采用式（1）计算，并根据《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（JGJ 82-2011）[34]，考虑螺栓的应力松弛实际应用中会导致预紧力损失，高强螺栓的施工预紧力Pc应在设计预紧力的基础上乘以超拉系数1.1因此，试验中的预紧力采用施工预紧力Pc。
紧固性能测试分为两部分。 在第一部分测试中，所有不锈钢高强度螺栓均未采取任何减摩润滑措施。 直接测量厂家1生产的两种不锈钢高强螺栓的扭矩系数，并与一组10.9级普通钢高强螺栓的扭矩系数结果进行比较。 这三类试件的标记如表2所示。每组设计8个试件，共计24个螺栓试件。 在测试的第二部分中，使用两种润滑剂Molykote D-321R和Molykote 1000 Paste（图5）对不锈钢高强度螺栓进行减摩润滑。 根据螺栓与润滑剂的不同组合，共得到4种类型的润滑剂。 试件类型标注如表2所示。每组设计8个试件，共32个螺栓试件。
3 测试结果及数据分析
3.1 机械性能测试结果
3.1.1 拉伸试验结果
3型螺栓拉伸试件的载荷-位移曲线如图6所示。表3具体列出了各试件的力学性能参数，其中K为螺栓的刚度，fu为极限抗拉强度，Af为实际螺栓断裂后的伸长率。 根据《紧固件螺栓、螺钉和螺柱机械性能》（GB/T 3098.1-2010）[20]，fu和Af的计算方法如下：
式中：Fu为试验时测得的极限拉伸载荷，Ae为螺纹处有效应力面积，对于M20螺栓，Ae为245mm2，ΔLP为螺栓的塑性伸长率，为载荷-位移曲线平行于断裂点绘制。 中间弹性阶段的直线，直线与横坐标的交点为ΔLP。
从表3可以看出，试验中测得的各类型试件的参数离散程度很小，证明了试验结果的可靠性。 与T-PH1型标本相比，fu下降3.1%，K上升1.8%，Af下降8.1%。 各项参数都比较接近，这说明不同厂家生产的不锈钢高强螺栓的力学性能是不同的。 不大。 与T-PH1型标本相比，fu下降2.6%，K上升0.9%，Af下降59.9%。 这说明不锈钢高强螺栓经过QPQ处理后，强度参数变化不大，塑性参数明显下降。 。
T-PH1、T-PH2、T-PHQ的fu分别达到1311MPa、1271MPa、1277MPa，均符合《紧固件螺栓、螺钉和螺柱机械性能》（GB/T 3098.1-2010）【 20]我国10.9级高强螺栓抗拉强度要求表明，新型10.9级不锈钢高强螺栓及其QPQ处理螺栓已达到10.9级高强螺栓的强度等级。 出于安全考虑，可将其抗拉强度fu规定为1040MPa，与10.9级高强螺栓一致。 采用式（1）计算预紧力，得到不锈钢高强螺栓预紧力设计值和施工值，如表4所示。 同时，T-PH1、TPH2和T-PHQ的AF分别为27.8%、25.6%和11.2%。 其中T-PH1和T-PH2的Af均满足规范中10.9级高强度螺栓的要求[20]。 长度比应满足13%的要求，而T-PHQ的Af略小于13%，这说明QPQ处理会显着降低不锈钢高强螺栓的塑性变形能力，应特别注意按实际使用付费。 另外，还需要说明的是，试验并未将不锈钢高强螺栓的屈服强度与规范中10.9级高强螺栓的极限值进行比较[20]。 这是因为规范[20]没有规定10.9级高强度螺栓。 物理物体的屈服强度仅给出其加工样本的屈服强度极限。 但通过观察不锈钢高强螺栓的载荷-位移曲线发现，该材料具有明显的非线性特性，应采用名义屈服强度f0.2。 代表其屈服强度。 因此，需要对不锈钢高强度螺栓的机加工试件进行进一步的试验研究，以获得其名义屈服强度f0.2。
3.1.2 硬度测试结果
硬度测试的测量结果如表5所示。可以看出，H-PH1、H-PH2和H-PHQ三种类型试件的螺钉、螺母和垫圈的硬度比较接近，且QPQ处理后的螺栓硬度相似。 新型10.9级不锈钢高强螺栓及其QPQ处理螺栓的硬度略高于未处理螺栓，均符合《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》 （GB/T 1231-2006）[21]为10.9级高强度螺栓的硬度要求。
3.2 紧固性能测试结果
3.2.1 无减摩润滑的试验结果
首先对PH1、PHQ和10.9CS共3组螺栓试件进行紧固性能测试。 每组试件均未采取减摩和润滑措施。 得到各组螺栓试件达到施工预紧力Pc时的性能。 施工扭矩Tc、紧固角度θ和扭矩系数k。 在预紧螺栓连接中，施加在螺母上的扭矩与螺栓预紧力之间的比例系数称为扭矩系数[34]，如下式所示：
式中：k为扭矩系数，Tc为螺栓轴力达到施工预紧力时的施工扭矩，Pc为施工预紧力，d为螺杆公称直径。
三组螺栓试件的紧固性能测试曲线如图7所示。表6至表8详细列出了三组试件的各种紧固性能参数。 观察图表可以发现，10.9CS组试件的平均扭矩系数为0.142，满足《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》的要求(GB/T 1231-2006) [21]极限要求为0.11～0.15，其扭矩系数仅在拧紧初期较大，之后随着螺栓轴向力的增大而保持稳定。
对于PH1组和PHQ组的试件，有两个试件在达到规定的预紧力之前出现卡住，导致螺钉被试验机扭断。 其余试件大部分都测得扭矩系数等有效数据，但这两组试件的扭矩系数极大，平均值分别达到0.637和0.420，远远超出了规范的极限要求[ 21]。 同时，PH1扭矩系数在拧紧初期经过峰值后，随着螺栓轴力的增大而继续增大，当螺栓预紧力达到施工预紧力时达到最大值。 然而，虽然PHQ的扭矩系数在经过拧紧初期的峰值钢结构用高强度垫圈，随着螺栓轴向力的增大而逐渐减小并基本保持稳定，但其值仍处于较高水平。
这说明不锈钢高强度螺栓在拧紧过程中会发生卡死现象。 一旦发生卡死现象，就会不断加剧，直至螺纹完全卡住。 这大大增加了不锈钢螺栓的扭矩系数，导致不锈钢螺栓难以施加预紧力，且拆卸困难。 最终只能被测试机强行破坏。 虽然QPQ处理可以缓解这种现象，但仍然无法将不锈钢螺栓的扭矩系数降低到可接受的范围。 因此，有必要探索合理的措施，避免不锈钢螺栓的卡死现象，将扭矩系数降低到合理的范围内。
3.2.2 减摩润滑后的测试结果
然后对PH1-D、PHQ-D、PH2-D和PH2-P共4组螺栓试件进行紧固性能测试。 测试中使用了两种润滑剂，即Molykote D-321R和Molykote 1000 Paste。 其中PH1-D、PHQ-D、PH2-D使用润滑剂Molykote D-321R，PH2-P使用润滑剂Molykote 1000 Paste。 试验获得了达到施工预紧力Pc时各组螺栓试件的施工扭矩Tc、拧紧角度θ和扭矩系数k。 扭矩系数的计算公式如式（4）所示。 四组涂有润滑剂的螺栓试件的紧固性能测试曲线如图8所示。表9至表12详细列出了四组试件的拧紧性能参数。 查看图表您可以看到：
对于PH1-D和PHQ-D组试件，润滑剂D-321R的减摩润滑效果显着，将两者的平均扭矩系数分别降低至0.136和0.123，大于无润滑剂的工况。润滑剂。 幅度的改善。 对于2号厂家的PH2-D组试件，经过D-321R润滑后，平均扭矩系数也下降至0.134。 同时，PH1-D、PHQ-D、PH2-D的扭矩系数在拧紧初期经过峰值后逐渐下降，之后随着螺栓轴力的增大而保持稳定。 这说明润滑剂D-321R对不锈钢高强螺栓及其QPQ处理的螺栓均具有良好的减摩润滑效果，并能将其扭矩系数降低至规范规定的限度内[21]。
对于PH2-P组试件，经过1000次膏状润滑后，平均扭矩系数下降至0.207。 同时，PH2-P扭矩系数在拧紧初期经过峰值后逐渐下降，随后随着螺栓轴向力的增加呈现缓慢上升趋势，但基本保持稳定。 由此可见，润滑剂1000膏对不锈钢高强螺栓的减摩润滑效果虽然不如D-321R，但仍能解决不锈钢螺栓的螺纹卡死问题，并将扭矩系数降低到相对较低的水平。合理范围。
试验还测量了使用润滑剂后螺栓达到施工预紧力时所需的拧紧角度，以比较角度法和扭矩法两种施加预紧力的方法的优缺点。 试验结果表明，达到相同预紧力时，拧紧角度的变化系数大于扭矩系数的变化系数，说明拧紧角度的偏差较大。 为保证螺栓预紧力的一致性，更推荐采用扭矩法。
3.2.3 施工扭矩的确定
根据两根10.9级不锈钢高强螺栓的施工预紧力（表4）和最佳润滑措施（表9～表12），不锈钢高强螺栓的最终施工扭矩如表13所示，其中其中，对制造商1和制造商2的不锈钢高强度螺栓润滑后的扭矩系数进行平均。
4。结论
本文对不锈钢高强螺栓的力学性能和紧固性能进行实验研究，主要得出以下结论：
(1)新型10.9级不锈钢高强度螺栓及其QPQ处理螺栓具有高强度。 两者的抗拉强度均达到1040MPa以上，满足10.9级高强螺栓力学性能要求。
(2)“卡丝”是不锈钢螺栓拧紧过程中不可避免的问题。 最有效的解决办法是使用润滑剂进行减摩润滑。 润滑剂Molykote D-321R减摩效果最佳，可将扭矩系数降低至0.123～0.136，满足钢结构用高强度螺栓扭矩系数的极限要求。 尽管润滑剂Molykote 1000 Paste的减摩效果较差，但仍可将扭矩系数降低至合理范围。
(3)对扭矩法和角度法两种施加螺栓预紧力的方法进行比较后发现，扭矩法获得的螺栓预紧力更加一致。 建议采用扭矩法拧紧不锈钢高强度螺栓。
(4)新型10.9级不锈钢高强螺栓及其QPQ处理螺栓的施工预紧力可取170 kN，施工扭矩可分别取460 N·m和420 N·m。
(5)由于试验条件限制，本文仅对实际的M20不锈钢高强螺栓进行研究。 随后将对其机械加工试件的各种性能进行研究，并对不同直径、不同牌号的不锈钢螺栓进行性能试验。 为相关规范的完善提供数据支持。
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