不锈钢螺栓拉伸试验中遇到的问题及解决方法

胡乃冬，张喜臣，鲁冬瑞

（中国建筑科学研究院 建筑环境与节能研究院，北京 100020）

不锈钢螺栓具有耐高温，防生锈，防腐蚀等良好的机械性能，又有足够的强度和良好的塑性，广泛的应用在建筑、通讯、电力、机械、化工等行业。

在建筑幕墙领域中不锈钢螺栓使用较多，承担着幕墙与主体的连接，横梁立柱的节点连接，转角处的拼缝连接，石材幕墙挂板连接等重要部位的连接任务，对幕墙的整体性能起到重要的作用。因此对不锈钢螺栓的检测也就至关重要。

现阶段对不锈钢螺栓的检测包括现场的无损检测和实验室的检测，针对实验室的检测主要依据GB/T 3098.6《紧固件机械性能不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》，但是在检测的过程中发现抗拉强度的计算对于有些螺栓并不适用，断后伸长量的合格标准也有待改善。

1 不锈钢螺栓断裂位置的问题及解决方法

1.1 不锈钢螺栓的断裂位置

对于全螺纹的不锈钢螺栓一般断裂在螺杆的中间，根据GBT3098.6中的规定，不锈钢螺栓不应断裂在头部，带无螺纹杆部的不锈钢螺栓断裂不应发生在头与杆交接处。一般在螺栓拉伸试验中，断裂会发生在有缺陷或者横截面面积较小的断面，但是通过不锈钢螺栓的拉伸试验，发现一些带无螺纹杆的不锈钢螺栓出现断裂位置在无螺纹杆处，如图1所示，无螺纹杆部位直径大于螺纹杆部位，因此检测中出现这一现象时，需要进一步分析其原因：（1）根据检测数据发现不同生产厂家生产的A2-70和A4-70的不锈钢螺栓中均会出现带无螺纹杆的螺栓断裂在无螺纹杆处的现象，同时，同一生产厂家送检的同一批螺栓中，一组（3套）样品中也会有一套螺栓断在无螺纹杆处，另两套螺栓断在螺纹杆处，这说明断裂在无螺纹杆件处不是偶然现象，是有一定概率的事件。（2）进一步分析不锈钢螺栓的化学成分，经过检测，所有送检的不锈钢螺栓的化学成分包括C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu 均符合 GBT3098.6的相关规定，因此一些不锈钢螺栓断裂在无螺纹杆件处，与化学成分没有关系。（3）螺栓的材质不均匀，是造成断裂在无螺纹杆处的一个重要原因，通常选用优质的材质可以避免这一问题。

图1 不锈钢螺栓断裂位置示意图

1.2 抗拉强度Rm的计算方法

断裂位置直接影响着其抗拉强度和屈服强度的计算，GBT3098.6中并未对此做特殊的说明，根据GBT3098.6，抗拉强度计算公式如下：

螺栓拉伸试验最大荷载，N；

螺纹公称应力截面面积，mm2。

当断裂位置在螺纹处时，计算的，可以根据GBT3098.6进行合格的评定，但是当断裂在无螺纹杆处时，由于荷载更大，仍然使用作为断裂的截面面积，得到的结果明显偏大，计算结果见表1，而且与实际不符合，为工程设计增加了安全隐患。因此当断裂在无螺纹杆处时建议采用如下公式：

其中：为实验前实测无螺纹螺杆处横截面面积。

此外，应当在检测报告中注明螺栓的断裂位置和螺栓无螺纹杆处实测直径。对于屈服强度（规定塑性延伸率为0.2%时的应力）的计算也同样应遵循上述原理。

2 不锈钢螺栓断后伸长量的问题及解决方法

2.1 断后伸长量计算

断后伸长量是衡量塑性变形的指标，其计算公式如下：

其中：表示断后伸长量；

表示紧固件总长度；

表示断后测量长度。

经过试验，发现很多不锈钢螺栓的断后伸长量都远远大于GBT3098.6中规定的断后伸长量，如表1所示，有的断后伸长量达到标准要求的102.9%～395.8%。

2.2 影响断后伸长量的因素

总结以上结果发现，影响断后伸长量的因素主要有性能等级、试件的长度、试件的横截面积以及化学成分。

由试件组M12A480110和M12A470110的结果可以看出性能等级越低，断后伸长量越大。在GB/T3098.6中对于性能等级为50、70、80的螺栓，对应的断后伸长量分别为 0.6d、0.4d、0.3d，也说明了性能等级越低，断后伸长量越大。

不锈钢螺栓的断后伸长量随试件的总长度的增加而增大，如图2中（a）、（b）、（c）所示，这与文献中得到的结果一致，拉伸试样平行长度越长，断后伸长率越高。

根据样品组M8A480100和M12A480100的数据可以看出随截面面积的增加，试样断后伸长量增大，如图3所示，这与文献中得到的结果一致。

从化学成分上对比可以发现，要求A4检测的化学元素比A2的化学元素多一种Mo，并且C、P、Cr、Ni的含量要求也不相同，断后伸长量的试验结果表明，A4的断后伸长量要比A2的断后伸长量大20%～37.8%，如图4所示。

3 结语

（1）不锈钢螺栓拉伸实验一般断裂在螺杆的中部，带无螺纹杆的螺栓因材质不均匀或者自身缺陷导致，会有一定的概率断裂在无螺纹杆处，当断裂位置出现在无螺纹杆件处时，建议采用实际测量的不锈钢无螺纹杆的直径进行计算，因此在实验前应当提前测量无螺纹杆的实测直径，以便断裂在无螺纹杆处时方便计算抗拉强度。

表1 试件参数及实验结果

图2 不同长度的螺栓断后伸长量对比图

图3 不同截面面积的螺栓断后伸长量对比图

图4 A2、A4断后伸长量对比图

（2）随着生产工艺的提高，有的不锈钢螺栓的断后伸长量比标准要求的最小断后伸长量大出102.9%～395.8%，表现出良好的塑性性能；不锈钢螺栓的性能等级越低，断后伸长量越大；试件的长度越长，断后伸长量越大；试件的应力横截面积越大，断后伸长量越大；A4的断后伸长量要比A2的断后伸长量大。因此在考虑不锈钢螺栓塑性性能时，应综合考虑以上4种因素进行比较分析，同时标准要求的最小断后伸长率也应根据生产力水平和其他影响因素进行适当的调整。

[1] GB/T 3098.6,紧固件机械性能不锈钢螺栓、螺钉和螺柱[S].北京：中国标准出版社，2014.

[2] 阮军.螺栓断裂的形式及原因分析[J].客车技术，2002，（4）：50.

[3] 陈佳雯.金属材料断后伸长率影响因素的试验研究[C]，中国金属学会.第八届（2011）中国钢铁年会论文集.北京：冶金工业出版社，2011，2902-2905.