最新GB/T3098.23、24、25紧固件解读
国家标准GB/T3098.23-2020《紧固件机械性能M42-M72螺栓、螺钉、螺柱》，2020年3月31日发布，2020年10月1日实施；
GB/T3098.24-2020《紧固件机械性能 高温用不锈钢和镍合金螺栓、螺钉、螺柱和螺母》和GB/T 3098.25-2020《紧固件机械性能 不锈钢和镍合金紧固件选用指南》，2020年11月19日发布，2021年6月1日实施；
本文把标准中的紧固件设计要点、材料的选择及检测，为读者做一些浅析和介绍，便于大家在工作中理解和应用。
1、引 言
紧固件是指将两个或两个以上零件(或构件)紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称。紧固件的作用是紧固连接机械零件，其应用极为广泛，它的特点是品种规格繁多，性能用途各异，而且产品标准化、系列化程度高。
为保持我国机械装备、车辆交通等对机械零部件的需求和技术标准与国际同步，提升机械装备、海洋装备、风能发电、建筑采矿等设备的可靠性及安全性，适应市场需求。
近年来，全国紧固件标准化技术委员会通过修订或制定一批有关紧固件制造、性能检测国家标准，宗旨是规范紧固件的设计，标准均把合理选材提高到重要的位置，除将“材料”列为专门一章之外，不少选材条文也被列为强制性条文，这意味着设计人员要以合理选材和优化选材作为基本功来作好紧固件设计工作。
国家标准GB/T3098.23-2020《紧固件机械性能M42-M72螺栓、螺钉、螺柱》，2020年3月31日发布，2020年10月1日实施；GB/T3098.24-2020《紧固件机械性能 高温用不锈钢和镍合金螺栓、螺钉、螺柱和螺母》，2020年11月19日发布，2021年6月1日实施；
GB/T3098.25-2020《紧固件机械性能 不锈钢和镍合金紧固件选用指南》，2020年11月19日发布，2021年6月1日实施。本文的目的就是对这些标准为读者做一些解析和介绍，便于大家在设计中理解和应用。文内有不当之处，请批评指正。
2、GB/T3098.23-2020《紧固件机械性能M42～M72螺栓、螺钉、螺柱》
GB/T3098.23-2020《紧固件机械性能M42～M72螺栓、螺钉、螺柱》，新标准规定了M42～M72螺栓类在环境温度为10℃～35℃条件下进行测试时，螺栓、螺钉和螺柱的机械和物理性能。
在该环境温度范围内符合本标准要求的紧固件，在超出该环境温度范围时，或可能达不到规定的机械和物理性能。按GB/T3098.23生产的紧固件适用使用温度为－50℃～＋150℃；
性能等级在8.8级、10.9级粗牙螺纹范围M42～M64，细牙螺纹范围M45X3～M72X6螺栓、螺钉、螺柱必须选用合金钢制造；普通螺纹符合GB/T192规定，且符合GB/T192规定的直径与螺距组合。
GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》标准强调对10.9级及以上产品材料要求具有良好的淬透性，而对于8.8级螺纹直径超过20mm的紧固件为保证良好的淬透性，需采用对10.9级规定的材料；
而GB/T3098.23-2020《紧固件机械性能M42～M72螺栓、螺钉、螺柱》新标准规定性能等级在8.8级、10.9级，必须选用合金钢制造，见表1，以确保紧固件螺纹截面的芯部在淬硬状态、回火前获得约90%的马氏体组织。
为此，金相检验在紧固件行业得到较高重视。金相检验不仅是借助于金相显微镜来研究金属材料的内部组织，而且还通过肉眼或低倍放大镜下进行宏观检验。
在实际的生产现场，拉伸试验时进行标准规范的操作，主要注意事项。对M42-M72大规格螺栓的机械性能检测是质量管控的重中之重，目前国内测量强度比较普遍的方法是采用万能材料试验机，可以进行材料抗拉强度、屈服强度，以及螺栓的楔负载试验和塑性指标断后伸长率A和断面收缩率Z的测定。
试件的制备均符合GB/T3098.1中的标准规定，≤M39规格螺栓的拉伸试件采用直接车削的加工方法；GB/T3098.23中的标准规定，≥M42 螺栓规格的拉伸试样采用先偏心取样再车削的加工方法。
硬度试样在距螺纹末端 1d 处取一横截面，在保证平行度的情况下对截面依次用细砂纸打磨，以保证粗糙度满足试验标准要求。
拉伸试样加工完成后对尺寸进行确认，满足尺寸要求的试样在试验机上才可以开始拉伸实验。试验机有自动定心装置，避免了试验时被夹持试样只受受轴向拉力的作用，避免斜拉，斜拉有可能使被测试样受力不均匀，从而影响试验结果的准确性。
a、试样制样的影响，不同截面形状、不同试样直径等对试验数据有影响，根据新标准对于M42～M72直径，特别是制成机械加工拉伸试样的情况下，在螺栓和螺柱直径1/4d处制出试样（偏心试样），其试棒直径为3/8d。同一个螺栓制成不同直径的试样，得到的结果会有一定的差别；
b、试样装夹的影响，拉伸试验中不允许存在偏心力，特别是做大规格螺栓的实物拉伸试验时，如果装夹不正，存在偏心力将使得到的结果值偏低；做紧固件拉伸试验时，要确保夹具中间留有大于1d的螺纹部分不旋入夹具中，如果旋入太多将造成塑性指标偏低、拉力值不准等问题；
c、拉伸速度的影响，拉伸速度在国家标准中有规定（一般为不超过10mm/min），常温下，紧固件产品在不同速度下拉伸试验对抗拉强度影响不大，但对塑性规定非比例延伸强度（屈服强度）影响极大，通常要求慢一点进行拉伸试验，且拉伸过程中要保持均匀速度进行，不要先快后慢；
d、环境因素影响，拉伸试验时的温度要求在10℃～35℃，尽量避免振动和电磁干扰。
3、GB/T3098.24-2020《紧固件机械性能高温用不锈钢和镍合金螺栓、螺钉、螺柱和螺母》
GB/T3098.24-2020《紧固件机械性能高温用不锈钢和镍合金螺栓、螺钉、螺柱和螺母》新发布的标准规定了由耐腐蚀不锈钢和镍合金制造的、在高温至 800℃条件下使用的螺栓、螺钉、螺柱和螺母的化学成分、机械和物理性能要求，并规定的此类紧固件也适用于在-50℃低温下使用。
紧固件类型包括螺栓、螺钉、螺柱和螺母，规格粗牙螺纹 M3～M39；细牙螺纹 M8X1～M39X3；任何形状的全承载能力紧固件。
本标准规定了紧固件性能：马氏体钢、沉淀硬化奥氏体钢和镍合金。三类材料的类别代号，马氏体不锈钢：CH0（20Cr13）, CH1（30Cr13）, CH2（17CrNi16、14Cr17Ni2）, V/VH（22CrMoV12、ML21CrMoV）, VW（19CrMoNbVN11）；
沉淀硬化奥氏体钢：SD（ML06Cr15Ni25Ti2MoAlBV）；镍合金：SB（ GH4080A、NiCr20TiAl）和718（NiCr19NbMo））。有关材料牌号详细信息参见GB/T3098.25-2020 ，选择合适的不锈钢和镍合金及性能的技术要求。
按规定的方法进行机械性能试验时，指定紧固件代号的螺栓、螺钉和螺柱在室温环境条件下，所有机械性能要求应符合规定且与GB/T3098.1、GB/T3098.23类似，无论试验在制造过程中进行或对最终成品进行都适用。按本标准制造的紧固件应进行热处理，物理和机械性能和热处理工艺应符合本标准的规定及最高使用温度和紧固件的实际使用温度。
热处理工艺流程如下：马氏体不锈钢CH0, CH1, CH2, V, VH, VW， 应淬火并回火（QT）。沉淀硬化奥氏体钢和镍合金SD,SB和718，应进行固溶退火(AT) 时效硬化（P）；强烈建议在紧固件成型后进行，当外螺纹紧固件抗拉强度(Rm)大于或等于 1100 MPa 时，经供需协议，固溶退火(AT)可以针对原材料进行(在紧固件成型前)。对于冷镦和热锻紧固件，热处理应在紧固件成型后进行。
对于由棒材机械加工成型紧固件，热处理可以针对原材料进行或在紧固件加工成型后进行。对外螺纹紧固件，可以在热处理前或后或在固溶退火（AT）和时效硬化（P）之间辗制螺纹。
在使用中，螺母应与相同代号的螺栓、螺钉和螺柱(和垫圈)配合(如 CH0 螺栓与 CH0 螺母)。不同材料的紧固件配套组合是可以或可能的，但应满足考虑连接副的最低耐蚀性；磨损风险。
4、GB/T3098.25-2020《紧固件机械性能 不锈钢和镍合金紧固件选用指南》
国际上不锈钢及镍合金材料紧固件技术创新一直高度活跃，创新产品不断涌现，产业规模不断扩大。近年来逐渐呈现出材料品种多样化、性能稳定化等新的技术发展趋势。
美国及部分欧洲国家长期在不锈钢和镍合金紧固件等技术和产业方面占据领先地位，我国近几年对不锈钢和镍合金紧固件产品从品种、规格各方面都形成了一定量的需求，但是某些材料依赖进口，大规格成形工艺尚不稳定，紧固件产品的功能特性还不能有效满足装备需要，产品的稳定性及可靠性仍有差距。
清洁能源、航空航天、轨道交通、海洋工程、燃气轮机等领域和重大装备对不锈钢和镍合金紧固件的需求日益增长。
目前尚无ISO 标准，该项目与ISO/NP 3506-5、ISO/NP 3506-6 同期开展工作，根据国内生产实际和国内外贸易需求制定我国不锈钢和镍合金紧固件机械性能国家标准，为上述问题的解决提供有力的技术支撑，为完善和优化紧固件标准体系、引领紧固件专业化生产、提高产品档次和市场满足水平起到积极的作用。
GB/T3098.25－2020《紧固件机械性能 不锈钢和镍合金紧固件选用指南》新标准，结合我国具体情况，参考 ISO/DIS 3506-6，本着科学、合理、适用和促进我国不锈钢和镍合金紧固件产品满足应用的原则，对相关标准进行深入研究、对比分析，根据不锈钢组别和等级、不锈钢和镍合金成分、耐应力腐蚀裂痕、耐点蚀和缝隙腐蚀、晶间腐蚀、对形成金属间化合物的敏感性和不锈钢的磁导率性能，提出适合我国粗牙螺纹和细牙螺纹不锈钢和镍合金紧固件选用指南。
本标准列出了不锈钢选用指南和不锈钢性能技术信息。包括适用于紧固件制造的耐腐蚀不锈钢和镍合金技术参数，适用于奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和双相组织(奥氏体-铁素体) 不锈钢以及镍合金紧固件。
按GB/T3098不锈钢系列标准涉及以下组别和等级：奥氏体钢 A1～A5 和 A8；马氏体钢 C1、C3 和 C4；铁素体钢 F1；
双相钢（奥氏体-铁素体）D2、D4、D6 和 D8。不锈钢涵盖多种材料，提供了不同的耐腐蚀性能和功能特性。应根据螺栓连接预期环境中的所有条件，仔细选择由不锈钢制成的特定紧固件。紧固件表面状态(钝化、表面粗糙度等)可能影响紧固件耐腐蚀能力。
在特殊情况下，建议咨询紧固件制造和/或不锈钢材料专家，以便针对给定应用条件做出正确选择。腐蚀与紧固件的几个方面有关：螺栓连接设计、应用环境、材料和表面处理、应力状态、温度和不同金属接触引起的腐蚀（电化学腐蚀或接触腐蚀）等。
不同类别不锈钢紧固件规定使用温度范围：奥氏体不锈钢紧固件：–196℃～ 300℃；马氏体不锈钢紧固件：−40℃～ 230℃；铁素体不锈钢紧固件：−20℃～ 250℃；
双相钢(奥氏体-铁素体)紧固件：−40℃～ 280℃。标准涵盖GB/T3098.6、GB/T3098.15、GB/T3098.16、GB/T3098.2和GB/T3098.24，最为广泛使用的定型材料，涉及ISO15510、EN10269 和/或 DIN 267-13。
附录A列出了适用于紧固件（但未包含在GB/T3098系列标准中）的不锈钢材料，使用这些不锈钢需要供需双方事先达成协议。标准的指定旨在为不锈钢和镍合金紧固件的选用起到规范和指导作用。
5、结束语
紧固件的主要制造工艺流程包括：原材料采购→复验→下料→冷镦或热锻（螺栓和螺母）→热处理→性能试验→机加工→滚丝成形→表面处理→表面检查→无损检测→尺寸检查→包装运输等工序。
为适应紧固件的发展需求，全国紧固件标准化技术委员会通过修订或制定一批新的紧固件制造、性能检测国家标准，因此，建立中国紧固件行业GB/T3098.23、24、25《紧固件机械性能》系列标准，丰富了中国紧固件产品及标准系列，为国内紧固件产品和材料工艺研究发展提供数据支持，打破国外技术和标准垄断。
更为重要的是，建立《紧固件机械性能M42～M72螺栓、螺钉、螺柱；紧固件机械性能高温用不锈钢和镍合金螺栓、螺钉、螺柱和螺母；紧固件机械性能 不锈钢和镍合金紧固件选用指南》标准，弥补了国内缺乏关于纵深产业链的不足，为后续建立、修改相关标准提供方法及数据参考，推动行业发展。
大量的高强度螺栓疲劳失效分析结果表明，70%以上的疲劳失效源自表面损伤、头杆交接处脱碳、螺纹加工有明显的细小裂缝或切削加工刀痕不连续处和表面腐蚀物、淬火组织不均匀，因为那儿应力集中度高。
为此，对新标准GB/T3098.23、24、25的宣传、贯彻，需要用大力气，建议紧固件质量管理从设计、采购、制造、安装、不符合项管理、检查和试验等环节进行增强和优化。
简言之，紧固件设计应强化通用性、标准化和识别码，采购应限制最低竞价，制造检验可考虑第三方检验单位对多方履责、安装强化记录和按标准作业，不符合项管理强化原因分析和经验反馈，检验和复验两条线并行。
总之，欲实现我国由紧固件制造大国向制造强国的转变梦想，紧固件镦锻理论和工艺装备方面尚需进行系统、深入的研究，技术也必将融入转型创新变革的潮流而得到发展与提升，很多领域等待我们去开发、去深化、去拓展。
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