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碳素钢和合金钢紧固件检测

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发布时间：2025-07-10 16:39:26 更新时间：2025-07-09 16:39:26

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

碳素钢和合金钢紧固件检测：确保安全性与可靠性的关键

紧固件（如螺栓、螺钉、螺母、垫圈等）作为连接和固定关键结构的基础元件，其性能与可靠性对整个装备或工程的安全运行至关重要。碳素钢和合金钢是制造紧固件最常用的两类材料，碳素钢成本较低、加工性好，适用于一般工况；合金钢则通过添加合金元素（如Cr、Mo、V、Ni等）显著提升了强度、硬度、韧性及耐腐蚀、耐高温等特殊性能，常用于承受高应力、高疲劳或恶劣环境的场合。对这两类材料的紧固件进行严格的质量检测，是验证其是否满足设计和使用要求、预防因失效（如断裂、疲劳、松动、腐蚀）导致重大事故的必要手段。检测贯穿原材料验收、生产过程控制和成品出厂检验全流程，确保每一批紧固件都能稳定可靠地发挥其功能。

核心检测项目

针对碳素钢和合金钢紧固件的检测，主要聚焦于以下关键性能指标：

机械性能检测：这是最核心的检测内容。
- 拉伸性能：测定紧固件的抗拉强度、屈服强度（0.2%规定非比例延伸强度Rp0.2）、断后伸长率、断面收缩率。这是评估材料承受静载能力的直接指标。
- 硬度：常用维氏硬度（HV）、布氏硬度（HB）或洛氏硬度（HRC/HRB）测试，快速评估材料的强度和热处理效果，并与最小抗拉强度建立对应关系。
- 冲击韧性：特别是对低温环境下服役的紧固件（如风电、桥梁），需通过夏比V型缺口冲击试验评估其抵抗冲击载荷和脆性断裂的能力。
化学成分分析：精确测定材料中各元素（C, Mn, Si, P, S, Cr, Mo, V, Ni, B等）的含量。对于合金钢紧固件，合金元素的含量是确保其达到预期性能等级（如8.8级、10.9级、12.9级）的关键。严格控制P、S等有害元素含量也至关重要。
金相组织分析：通过显微镜观察材料的微观组织（如马氏体、回火索氏体、贝氏体等）、晶粒度、非金属夹杂物级别以及是否存在脱碳层（表面脱碳会显著降低硬度、强度和疲劳寿命）。评估热处理工艺是否合格。
表面处理与防腐性能：如镀锌层（热浸镀、电镀）、达克罗涂层的厚度测定（金相法、X射线荧光法）、附着力测试、中性盐雾试验（NSS）或铜加速乙酸盐雾试验（CASS）评估耐腐蚀能力。
尺寸与几何公差检测：包括螺纹参数（如大径、中径、小径、螺距、牙型角、螺纹通止规）、头部尺寸（对边宽度、对角尺寸、高度）、杆部直径、直线度、表面缺陷（裂纹、折叠、凹坑）等。确保互换性和装配性能。
扭矩-夹紧力关系测试：评估紧固件在拧紧过程中的摩擦性能和最终夹紧力的一致性，这对保证连接可靠性非常重要。
氢脆敏感性测试：对于高强度钢紧固件（尤其是抗拉强度≥1000MPa或硬度≥32HRC），经过酸洗、电镀等工序后，需进行延迟破坏试验或测氢含量，评估其抵抗氢致延迟断裂的能力。

关键检测仪器

完成上述检测项目，需要依赖一系列精密的检测设备：

万能材料试验机：用于进行拉伸试验、压缩试验、弯曲试验，配备高精度引伸计测量变形。
硬度计：维氏硬度计（HV）、布氏硬度计（HBW）、洛氏硬度计（HRC, HRB, HRA）、表面洛氏硬度计（HR15N, HR30N, HR45N）。
摆锤式冲击试验机：进行夏比V型缺口冲击试验。
光谱分析仪：
- 火花直读光谱仪（OES）：快速、准确地测定金属（特别是合金钢）中的多元素成分。
- X射线荧光光谱仪（XRF）：用于无损检测镀层厚度（如Zn层）和部分元素成分。
金相显微镜 & 图像分析系统：用于观察和分析微观组织、晶粒度、非金属夹杂物、脱碳层深度等。
盐雾试验箱：模拟腐蚀环境，进行中性盐雾试验（NSS）、铜加速乙酸盐雾试验（CASS）等。
精密测量仪器：
- 螺纹综合测量机/螺纹量规（通规、止规）
- 光学投影仪/影像测量仪
- 千分尺、游标卡尺、高度规
- 表面粗糙度仪
扭矩测试仪/摩擦试验机：测试紧固件的扭矩系数、总摩擦系数、夹紧力。
测氢仪：测量紧固件中的可扩散氢含量。

主要检测方法

拉伸试验：通常将紧固件加工成标准拉伸试样（如螺纹部分加工成光滑杆状，或采用带有螺纹的专用夹具），按标准规定的速率拉伸直至断裂，记录力-位移曲线并计算各项强度与塑性指标。对螺栓常进行“楔负载试验”以评估头部强度。
硬度测试：根据标准和材料硬度范围选择合适的硬度计类型和标尺。通常在紧固件头部端面、无螺纹杆部或横截面上进行多点测试取平均值。需注意表面状态（如轻微脱碳）对结果的影响。
光谱分析：OES需在清洁的、能代表整体的部位（如螺栓杆部末端）打磨出平整小平面进行激发测试。XRF通常可直接在清洁后的表面进行无损测量（对成分均匀性要求高）。
金相分析：取具有代表性的横截面试样，经镶嵌、研磨、抛光、侵蚀（常用硝酸酒精溶液或苦味酸溶液）后，在金相显微镜下观察、拍照评级。需特别注意螺纹牙底、头部与杆部过渡区等应力集中部位的组织。
盐雾试验：将紧固件放入盐雾箱中，按规定浓度（如5% NaCl）和pH值喷洒盐雾，在设定温度（如35°C）下连续喷雾一定时间（如48h, 96h, 240h等），结束后检查腐蚀情况并评级。
尺寸检测：螺纹参数使用螺纹通止规进行功能性检验，更精确的测量则用螺纹测量机或光学投影仪。其他尺寸使用相应量具按图纸要求测量。