19.8級(jí)，世界最高強(qiáng)度緊固件研制成功，高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)在哪里？

超高強(qiáng)度緊固件可以在相同夾緊力下，通過減少自身尺寸來降低重量和增加安裝空間，因此可以對(duì)被連接部件進(jìn)行功能和體積優(yōu)化，從而使裝備達(dá)到整體減重和性能優(yōu)化的目的。

據(jù)了解，一架現(xiàn)代飛機(jī)所用的緊固件總重量可占飛機(jī)總重的5%-6%，而一架中型飛機(jī)上的各類緊固件可達(dá)到200-300萬個(gè)。僅在飛機(jī)減重方面，超高強(qiáng)度緊固件就有巨大的市場(chǎng)需求。

11月28日，由上海大學(xué)材料學(xué)院董瀚教授領(lǐng)銜的高性能鋼鐵材料團(tuán)隊(duì)、河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司、七豐精工科技股份有限公司、舟山市7412工廠、江蘇冶金技術(shù)研究院、上海大學(xué)（浙江）高端裝備基礎(chǔ)件材料研究院、上大新材料（泰州）研究院等七家單位經(jīng)過一年多的聯(lián)合攻關(guān)，研制出世界首款19.8級(jí)超高強(qiáng)度緊固件，成為世界最高強(qiáng)度等級(jí)的緊固件。公開資料顯示，國(guó)外目前優(yōu)勢(shì)企業(yè)的緊固件最高強(qiáng)度級(jí)達(dá)到了17.8級(jí)。我國(guó)973項(xiàng)目依據(jù)國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r，曾經(jīng)研制了13.9—15.9級(jí)的緊固件材料與緊固件。

該項(xiàng)目通過“材料生產(chǎn)—緊固件制造—服役評(píng)價(jià)”全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作，基于鋼鐵材料高性能化理論，利用龍鳳山鑄業(yè)生產(chǎn)的高純鐵原料成功研發(fā)出超高強(qiáng)度緊固件用B17.8及B19.8鋼，形成了16.8級(jí)和19.8級(jí)緊固件制造技術(shù)，緊固件實(shí)物如圖1所示。

                                                           16.8和19.8級(jí)緊固件實(shí)物（規(guī)格為MJ8×1×50）

通過材料和熱處理工藝優(yōu)化，16.8級(jí)和19.8級(jí)螺栓室溫抗拉強(qiáng)度分別滿足1600~1770MPa和1900~2070MPa。剪切測(cè)試（依據(jù)GJB 3376-1998）結(jié)果表明，16.8級(jí)和19.8級(jí)螺栓剪切力分別達(dá)到97KN和115KN；室溫拉伸疲勞強(qiáng)度測(cè)試（依據(jù)GJB 3376-1998及GJB715.30A-2002，載荷比=0.1）結(jié)果表明，研制的緊固件滿足疲勞壽命要求（平均疲勞壽命不低于65000次，單個(gè)疲勞壽命不低于45000次）；耐延遲斷裂性能試驗(yàn)（根據(jù)GJB 715.12-1990，大氣環(huán)境下恒定拉應(yīng)力保持96小時(shí)）結(jié)果表明，螺栓在測(cè)試時(shí)間內(nèi)未發(fā)生斷裂破壞，卸載后螺栓表面及螺紋處未發(fā)現(xiàn)裂紋；新研制的超高強(qiáng)度螺栓綜合性能滿足使役要求。

一、什么是高強(qiáng)度螺栓

高強(qiáng)度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓，英文簡(jiǎn)稱：HSFG?？梢?，我們中文施工中所說的高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓的簡(jiǎn)稱。在日常溝通中，僅僅是簡(jiǎn)略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個(gè)詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對(duì)高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。

高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強(qiáng)度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。

實(shí)際上在英標(biāo)規(guī)范，美標(biāo)規(guī)范中提到的高強(qiáng)度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級(jí)和10.9級(jí)兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強(qiáng)度高低并不是區(qū)別高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。

二、正確理解“高強(qiáng)”，強(qiáng)在何處

按照GB50017，計(jì)算單個(gè)普通螺栓（B類）8.8級(jí)和高強(qiáng)度螺栓8.8級(jí)抗拉及抗剪強(qiáng)度。

通過計(jì)算我們可以看到，相同等級(jí)的情況下，普通螺栓的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值都要高于高強(qiáng)度螺栓。

為回答這一個(gè)問題，必須從兩種螺栓的設(shè)計(jì)工作狀態(tài)入手，研究其彈塑性變形的規(guī)律，并理解到設(shè)計(jì)破壞時(shí)的極限狀態(tài)。

設(shè)計(jì)破壞時(shí)的極限狀態(tài)

普通螺栓：螺桿本身發(fā)生超過設(shè)計(jì)允許的塑性變形，螺桿被剪壞。

普通螺栓連接，開始承受剪力前連接板間就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，繼而螺栓桿和連接板接觸，發(fā)生彈塑性形變，承受剪力。

高強(qiáng)度螺栓：有效摩擦面間的靜摩擦力被攻克，兩塊鋼板發(fā)生相對(duì)位移，設(shè)計(jì)考量上即為破壞。

高強(qiáng)度螺栓連接，摩擦力首先承受剪力，當(dāng)荷載增大到摩擦力不足以抵抗剪力，靜摩擦力被攻克，連接板發(fā)生相對(duì)滑移（極限狀態(tài)）。但此時(shí)雖然破壞，但螺栓桿與連接板發(fā)生接觸，依然可以利用其本身的彈塑性形變，承受剪力。

誤區(qū)二：

高強(qiáng)度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是為“高強(qiáng)”？

由單個(gè)螺栓的計(jì)算可知，高強(qiáng)度螺栓抗拉和抗剪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度均低于普通螺栓。其高強(qiáng)實(shí)質(zhì)是：正常工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)不允許發(fā)生任何相對(duì)滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點(diǎn)剛度大。

可見：在給定設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)荷載的情況下，用高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)并不一定能節(jié)省螺栓使用數(shù)量，但是其變形小，剛度大，安全儲(chǔ)備高。適合用主梁，等要求節(jié)點(diǎn)剛度較大的位置，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱桿件”的基本抗震設(shè)計(jì)原理。

高強(qiáng)度螺栓之強(qiáng)，并非在于其本身的承載能力設(shè)計(jì)值，而是表現(xiàn)于其設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的剛度大，安全性能高，抗破壞的能力強(qiáng)。

三、高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的對(duì)比

普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓由于其設(shè)計(jì)的受力原理不同，其在施工檢驗(yàn)方法上有極大的區(qū)別。

同等級(jí)普通螺栓各項(xiàng)機(jī)械性能要求均比高強(qiáng)度螺栓略高，但高強(qiáng)度螺栓較普通螺栓多一項(xiàng)沖擊功的驗(yàn)收要求。

普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓的標(biāo)示是對(duì)同等級(jí)螺栓現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別的基本方法。由于英美標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于高強(qiáng)度螺栓扭矩值計(jì)算的取值并不相同，所以識(shí)別兩種標(biāo)準(zhǔn)的螺栓也有必要。

普通螺栓：（M24，L60，8.8級(jí)）

可見普通螺栓大約為高強(qiáng)度螺栓價(jià)格的70%，結(jié)合其驗(yàn)收要求的對(duì)比，可以得出，其溢價(jià)部分就應(yīng)該是為了保證材料的沖擊功（韌性）性能。