航空航天系螺栓性能等级

航空航天用螺栓区别于一般用途螺栓最显著的特点就是采用MJ螺纹，其性能等级则是采用强度等级进行划分的，根据ISO/TC20/SC4有关决议，MJ螺纹螺栓的强度等级即为常温下螺栓材料的最小抗拉强度，其强度等级完全取决于螺栓材料的抗拉强度，而与其结构尺寸无关。例如，强度等级为1100MPa的螺栓，其材料必须经热处理使其抗拉强度Rm≥1100MPa。

根据ISO/TC20/SC4第869号决议，螺栓的强度等级共分为10个等级，即450MPa，600MPa，900MPa，1000MPa，1100MPa，1210MPa，1250MPa，1275MPa，1550MPa和1800MPa，其中450MPa和600MPa用于铜合金和铝合金等有色金属。

力学性能

1.拉伸性能

拉伸性能是螺栓、螺钉和螺柱的最基本的力学性能，主要分为破坏载荷和保证载荷。

破坏载荷是螺栓或螺柱在试验条件下所测得的被拉断时的载荷，在产品标准或规范中都会规定该载荷的最小值，即标准抗拉力值，也称为最小破坏拉力、最小拉力载荷等。产品的实测破坏载荷应不低于标准或规范中规定的破坏载荷，而所有标准或规范中规定的破坏载荷，只要螺纹参数、强度等级相同，其值基本上是统一的（不同标准体系之间会由于计算过程中的小数取舍不同而略有差异），是通过理论计算并经过试验充分验证而确定的，合理可靠。计算公式见式（3-1），即

Fmin=KASRm（3-1）

式中Fmin——最小破坏拉力，在产品标准或规范中会明确给出N；

K——螺栓头形系数，对于六角头和盘头螺栓K=1，对于90°沉头螺栓K=0.85，对于100°沉头螺栓K=0.8； As——螺栓螺纹的抗拉应力截面积，计算公式见式（（3-2）、式（3-3），mm2；

Rm——螺栓的抗拉强度，产品标准的热处理指标会明确给出，MPa。

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AS??4????d12H???6?（3-2） ???2

??d?2?3??（3-3） AS?d32?2????4??d2?????

式中As—螺栓螺纹的抗拉应力截面积，mm2；

d1—普通螺纹小径的基本尺寸，mm；

d2——螺纹中径的基本尺寸或最大值，mm；

d3——MJ螺纹最大小径，mm；

H——螺纹原始三角形高度，mm。

式（3-2）适用于普通螺纹应力截面积的计算（非滚压成型或热处理前滚压成型）；式（3-3）适用于MJ螺纹应力截面积的计算（热处理后滚压成型）。

保证载荷是指螺栓在承受该载荷的条件下不能出现屈服或其他塑性变形。标准规定的保证载荷（FP）等于保证应力（Sp）乘以螺纹的抗拉应力截面积（As），而保证应力略小于螺栓材料的屈服强度ReL，或规定的非比例伸长应力RPO.2，保证应力与屈服强度的比值即SP/ReL在0.88~0.94之间，螺栓的强度越低，比值就越小。

2.剪切性能

对于在工作环境中承受剪切载荷的螺栓，其剪切性能是重要的考核指标。该类螺栓也称为抗剪螺栓，其标准杆公差为紧公差，主要承受横向的剪切载荷或拉剪复合载荷。螺栓标准或规范中会规定标准剪切力值即最小剪切力值，螺

栓在该力值下不应出现剪断或破坏，或在试验条件下实测的使其破坏的剪切力值应高于该最小剪切力值。

剪切可分为单剪和双剪，单剪只有一个承剪面，双剪有两个承剪面，故双剪载荷是单剪载荷的两倍。由于双剪试验操作比单剪试验简便，且双剪试验结果也更准确，故产品标准中一般只规定双剪载荷。

3.抗疲劳性能

螺栓装配后只承受一个初始预紧力，即预拉应力，但在工作时一般还要再承受一个变化的外拉力载荷。也就是说，螺栓在实际工作环境下是承受拉一拉的交变载荷，这就要求螺栓具有良好的抗疲劳性能，具有一定的承受动载荷的能力螺栓的抗疲劳性能是以疲劳寿命进行评定的，而疲劳寿命与载荷变化幅度关系极大。载荷比即最小载荷与最大载荷的比，是衡量载荷变化幅度的重要指标，一般用R来表示。R越小，疲劳寿命越短，R越大，疲劳寿命越长。当R取为1时，也就相当于静载荷，疲劳寿命可以是无限长。

在对螺栓进行疲劳性能试验时，是按照规范中规定的疲劳指标和特定的疲劳条件进行的，具体如下：

（1）载荷形式为正弦波。

（2）频率不超过140Hz。

（3）最大载荷。对于合金钢，为最小破坏拉力的46%；对于钛合金，为最小破坏拉力的40%；对于镍基合金，为最小破坏拉力的52%。

（4）载荷比R=0.1（可由此计算出最小载荷）。

（5）通常的合格判定指标。平均疲劳寿命不低于65000次，单件疲劳寿命不低于45000次，单件疲劳寿命超过130000次的按130000次计算平均疲劳寿命。

冶金性能

1.晶粒流线

晶粒流线通常包括螺栓头部晶粒流线和螺纹晶粒流线，流线的形成与螺栓选用的加工工艺密切相关，一般螺栓的头部采用镦制成型，螺纹采用滚压成型，都能达到标准规定的晶粒流线要求。晶粒流线是按照标准规定的位置剖切取样经适当腐蚀后，通过显微镜进行低倍（放大10倍~20倍）检测。

头部晶粒流线对螺栓头杆的结合强度及疲劳强度至关重要，对于性能要求较高的螺栓会在其规范中作出明确规定，要求该流线在头下圆角处密集排布，最好不应被切断，但如果确实需要加工时，切断量应符合其规范要求，一般不要超过头下圆角R的最大值，如图3-8所示。

螺纹晶粒流线是保证螺纹抗拉强度及疲劳强度的重要因素，在产品规范中也会明确规定，要求沿螺纹轮廓连续排列，且在螺纹牙底处密集排布，如图3-9所示。

2.显微组织

显微组织的一般要求包括合金钢螺栓的过热、脱碳、增碳，高温铁基合金螺栓的过热、晶粒度及低倍缺陷，高温镍基合金的过热、金相组织，钛合金螺栓的过热、表而污染、金相组织、氢含量、磨削烧伤等、显微组织也是按照标准规定的位置剖切取样经适当腐蚀后，通过显微镜进行高倍检测，除表而污染采用250倍~500倍进行检测外，其余项日一般采用100倍即可。

3.表面不连续性

表面不连续性是指螺栓表而的材料缺陷，通常是由材料在轧制过程中或螺栓的镦制、滚压及热处理过程中，由于

操作不当而使螺栓材料受到过高的应力作用而产生的缺陷，主要包括裂纹、发纹、折叠和夹杂等。表面不连续性一般

可通过探伤的方法检测出来，并将不合格品剔除，当存在疑问时，则按照标准规定的位置剖切取样经适当腐蚀后，通过显微镜进行放大100倍的高倍检测进行确认。