鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈硬度檢測(cè)技術(shù)研究

一、檢測(cè)原理

硬度是衡量金屬材料局部抵抗硬物壓入其表面能力的關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)，其檢測(cè)原理基于將特定形狀和尺寸的壓頭，在規(guī)定的試驗(yàn)力下壓入試樣表面，通過(guò)測(cè)量壓痕的深度、直徑或面積來(lái)量化材料的軟硬程度。

1. 洛氏硬度原理：采用金剛石圓錐或硬質(zhì)合金球作為壓頭，先后施加初試驗(yàn)力和主試驗(yàn)力。卸除主試驗(yàn)力后，根據(jù)壓痕深度殘余增量計(jì)算硬度值。其科學(xué)依據(jù)是材料的塑性變形抗力，深度增量越大，材料越軟，硬度值越低。該原理適用于螺栓、螺母的快速批量檢測(cè)。

2. 維氏硬度原理：使用兩對(duì)面夾角為136°的正四棱錐體金剛石壓頭，在一定試驗(yàn)力下壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，通過(guò)公式計(jì)算硬度值。其科學(xué)依據(jù)是壓痕表面積與試驗(yàn)力之比，反映了材料對(duì)塑性變形的抵抗能力。該原理精度高，適用于檢測(cè)薄層、小部件及硬度梯度，常用于墊圈及螺栓表面的精確檢測(cè)。

3. 布氏硬度原理：使用一定直徑的硬質(zhì)合金球壓頭，施加規(guī)定的試驗(yàn)力壓入試樣，保持一定時(shí)間后，測(cè)量試樣表面壓痕的直徑，通過(guò)計(jì)算壓痕球形表面積上的平均壓力得出硬度值。其科學(xué)依據(jù)是壓痕面積與試驗(yàn)力的關(guān)系，壓痕直徑越大，材料越軟，硬度值越低。該原理壓痕面積大，能反映材料在較大范圍內(nèi)的平均性能，但通常不適用于高硬度的螺栓、螺母成品。

二、檢測(cè)項(xiàng)目

檢測(cè)項(xiàng)目需根據(jù)連接副中各部件的特點(diǎn)和功能進(jìn)行系統(tǒng)分類。

1. 高強(qiáng)度大六角頭螺栓

   • 頭部頂面硬度：檢測(cè)螺栓頭部承載面的硬度，確保其能承受安裝時(shí)的扳手扭矩而不發(fā)生圓角或變形。

   • 螺桿末端硬度：在不影響螺桿強(qiáng)度的末端位置進(jìn)行檢測(cè)，作為材料熱處理狀態(tài)的代表性指標(biāo)。

   • 芯部硬度：對(duì)螺栓進(jìn)行橫截面剖切，在螺桿橫截面的中心區(qū)域檢測(cè)硬度，用于評(píng)估螺栓整體的熱處理效果和強(qiáng)度基礎(chǔ)。

   • 脫碳層硬度：通過(guò)檢測(cè)螺栓螺紋部位或桿部由表及里的硬度梯度，判斷是否存在因熱處理不當(dāng)導(dǎo)致的表面脫碳現(xiàn)象（表面硬度顯著低于芯部）。

2. 大六角螺母

   • 螺母支承面硬度：檢測(cè)螺母與墊圈或被連接件接觸的承壓面的硬度，保證其具備足夠的抗壓潰能力。

   • 對(duì)邊平面硬度：在螺母的對(duì)邊平面上進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)估其抵抗扳手?jǐn)Q緊時(shí)產(chǎn)生變形的能力。

   • 螺母高度方向1/2處橫截面硬度：剖切螺母后，在高度中心位置檢測(cè)，反映螺母整體的力學(xué)性能，確保其與螺栓強(qiáng)度匹配。

3. 墊圈

   • 表面硬度：直接檢測(cè)墊圈上下兩個(gè)承壓面的硬度，這是其核心性能指標(biāo)，直接影響其分散壓力和防止應(yīng)力集中的功能。

   • 硬度均勻性：在墊圈表面的不同位置（如相隔120°的三個(gè)點(diǎn)）進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)估其熱處理工藝的穩(wěn)定性和組織均勻性。

三、檢測(cè)范圍

高強(qiáng)度螺栓連接副廣泛應(yīng)用于對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和可靠性要求極高的領(lǐng)域。

• 建筑鋼結(jié)構(gòu)：高層建筑、體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)航站樓、工業(yè)廠房的梁柱連接、支撐系統(tǒng)連接等。要求螺栓、螺母、墊圈硬度匹配，保證連接的剛度和抗疲勞性能。

• 橋梁工程：鐵路和公路橋梁的鋼桁架、鋼箱梁等部位的連接。需承受動(dòng)載荷和疲勞載荷，對(duì)硬度的均勻性和一致性要求極為嚴(yán)格。

• 重型機(jī)械與設(shè)備：礦山機(jī)械、港口起重機(jī)、大型壓力容器等設(shè)備的法蘭連接和主體結(jié)構(gòu)連接。要求連接副具有高預(yù)緊力和防松能力，硬度是基礎(chǔ)保障。

• 風(fēng)電設(shè)施：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒法蘭連接、葉片根部連接等。工作環(huán)境惡劣，承受復(fù)雜的交變載荷，對(duì)硬度及耐腐蝕性能均有要求。

• 軌道交通：高鐵、地鐵車輛的車體結(jié)構(gòu)連接和軌道固定。對(duì)疲勞強(qiáng)度和抗振動(dòng)松弛性能要求高，硬度檢測(cè)是質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

四、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度值的規(guī)定存在差異，但技術(shù)目標(biāo)一致。

1. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

   • GB/T 3098.1：規(guī)定了螺栓、螺釘和螺柱的力學(xué)性能，對(duì)不同性能等級(jí)的螺栓（如8.8級(jí)、10.9級(jí)）的硬度范圍做出了明確規(guī)定。

   • GB/T 3098.2：規(guī)定了螺母的力學(xué)性能，對(duì)匹配高強(qiáng)度螺栓的螺母（如8級(jí)、10級(jí)、12級(jí)）的硬度范圍和保證載荷試驗(yàn)提出要求。

   • GB/T 1230：專門針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈的技術(shù)條件，詳細(xì)規(guī)定了連接副整體的力學(xué)性能，包括各部件的硬度要求、試驗(yàn)方法及驗(yàn)收條件。

   • GB/T 4340.1：金屬材料維氏硬度試驗(yàn)方法。

   • GB/T 230.1：金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)方法。

2. 標(biāo)準(zhǔn)

   • ISO 898-1：碳鋼和合金鋼制緊固件的機(jī)械性能，與GB/T 3098.1內(nèi)容類似，是廣泛認(rèn)可的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

   • ISO 898-2：螺母的機(jī)械性能，規(guī)定了螺母的強(qiáng)度等級(jí)和硬度要求。

   • ASTM F568M：碳鋼和合金鋼外螺紋緊固件的機(jī)械性能要求。

   • ASTM A325M / A490M：專門針對(duì)結(jié)構(gòu)鋼連接用高強(qiáng)度螺栓的標(biāo)準(zhǔn)，在美國(guó)和北美地區(qū)影響廣泛，對(duì)硬度、抗拉強(qiáng)度、扭矩系數(shù)等有綜合要求。

   • EN 14399：高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)螺栓連接副系列標(biāo)準(zhǔn)，在歐洲廣泛應(yīng)用，對(duì)預(yù)加載高強(qiáng)度螺栓連接副的組件（包括螺栓、螺母、墊圈）的性能和測(cè)試有系統(tǒng)規(guī)定。

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析：

• 性能等級(jí)對(duì)應(yīng)：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的10.9級(jí)螺栓大致對(duì)應(yīng)ISO 898-1的10.9級(jí)和ASTM A490M的螺栓。

• 硬度范圍差異：不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同一性能等級(jí)部件的硬度范圍規(guī)定可能存在細(xì)微差別。例如，HV10、HRC、HBW之間的換算關(guān)系以及具體范圍的上下限需嚴(yán)格對(duì)照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)表。

• 檢測(cè)方法側(cè)重：ASTM標(biāo)準(zhǔn)可能更側(cè)重于與保證載荷試驗(yàn)的結(jié)合，而GB和ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度檢測(cè)本身的方法和位置規(guī)定更為細(xì)致。

五、檢測(cè)方法

1. 試樣制備

   • 表面處理：檢測(cè)表面應(yīng)光滑平整，無(wú)氧化皮、脫碳層、油污及其他污物。通常需經(jīng)過(guò)打磨、拋光處理，對(duì)于仲裁試驗(yàn)，必須制備金相試樣。

   • 穩(wěn)定性：試樣應(yīng)平穩(wěn)放置，確保在試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)滑動(dòng)、無(wú)彈性變形。

   • 剖切試樣：對(duì)于芯部硬度檢測(cè)，需使用精密切割機(jī)取樣，并進(jìn)行鑲嵌、磨拋，確保檢測(cè)面與支撐面平行。

2. 操作要點(diǎn)

   • 試驗(yàn)力選擇：根據(jù)試樣預(yù)期硬度、厚度及標(biāo)準(zhǔn)要求選擇合適的試驗(yàn)力（如HV10， HV30， HRC等）。螺栓、螺母成品通常采用洛氏硬度計(jì)（HRC或HRB），墊圈和薄層檢測(cè)宜用維氏硬度計(jì)（小負(fù)荷）。

   • 壓頭與試樣：壓頭軸線應(yīng)垂直于試樣檢測(cè)面，且壓頭與試樣接觸瞬間應(yīng)無(wú)沖擊和振動(dòng)。

   • 保壓時(shí)間：嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定控制施加主試驗(yàn)力后的保持時(shí)間，通常為10~15秒，對(duì)軟質(zhì)材料或特殊材料需延長(zhǎng)。

   • 壓痕間距：相鄰兩壓痕中心之間的距離至少應(yīng)為壓痕對(duì)角線直徑的2.5倍（維氏）或3倍（洛氏），以避免加工硬化區(qū)的相互影響。

   • 環(huán)境條件：應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度環(huán)境下進(jìn)行，避免溫度劇烈波動(dòng)和振動(dòng)干擾。

六、檢測(cè)儀器

1. 洛氏硬度計(jì)：操作簡(jiǎn)便、效率高，可直接讀取硬度值，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的快速檢驗(yàn)。其技術(shù)特點(diǎn)是采用多級(jí)試驗(yàn)力，對(duì)試樣表面粗糙度要求相對(duì)較低。

2. 維氏硬度計(jì)：精度高，試驗(yàn)力范圍寬（從顯微硬度到宏觀硬度），壓痕為正方形，測(cè)量對(duì)角線長(zhǎng)度受人為影響小。特別適用于檢測(cè)細(xì)小部件、薄層、鍍層及熱處理梯度。高精度自動(dòng)平臺(tái)和圖像分析系統(tǒng)是現(xiàn)代維氏硬度計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)。

3. 布氏硬度計(jì)：試驗(yàn)力大，壓痕大，能較好地反映材料在較大范圍內(nèi)的平均性能，結(jié)果重復(fù)性好。但操作相對(duì)繁瑣，壓痕測(cè)量費(fèi)時(shí)，且不適用于高硬度零件和成品件。

4. 便攜式硬度計(jì)：包括里氏硬度計(jì)和超聲波硬度計(jì)等，適用于大型構(gòu)件或不易移動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。其原理是動(dòng)態(tài)沖擊或超聲接觸阻抗，需注意其測(cè)量結(jié)果與臺(tái)式靜態(tài)硬度計(jì)存在差異，通常需進(jìn)行換算，多用于普查或近似判斷，仲裁時(shí)仍需以臺(tái)式機(jī)結(jié)果為基準(zhǔn)。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)讀取與處理

   • 洛氏硬度直接讀取表盤或屏幕顯示值。

   • 維氏硬度需測(cè)量?jī)蓷l對(duì)角線的長(zhǎng)度，取算術(shù)平均值，然后查表或通過(guò)公式計(jì)算得出硬度值。

   • 至少應(yīng)在每個(gè)試樣的有效部位測(cè)量三點(diǎn)，剔除異常值后取算術(shù)平均值作為該試樣的硬度值。

2. 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

   • 符合性判定：將測(cè)得的平均硬度值與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 3098.1, GB/T 1230）中對(duì)應(yīng)性能等級(jí)規(guī)定的硬度范圍進(jìn)行比對(duì)，落在范圍內(nèi)即為合格。

   • 均勻性分析：同一試樣上各測(cè)量點(diǎn)的硬度值波動(dòng)應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)允許的離散范圍內(nèi)。若某點(diǎn)硬度值異常偏高或偏低，可能指示存在局部淬火軟點(diǎn)、微裂紋、組織不均勻或脫碳等缺陷。

   • 匹配性分析：螺栓、螺母、墊圈的硬度應(yīng)相互匹配。通常螺母的硬度應(yīng)略低于螺栓的硬度，以避免螺紋咬死，并確保在超擰時(shí)斷裂發(fā)生在螺栓桿部（易于發(fā)現(xiàn)），而非螺紋脫扣（隱蔽危險(xiǎn)）。墊圈的硬度應(yīng)足夠高以防止被嵌入，但又不能過(guò)高而損傷被連接件表面。

   • 異常結(jié)果分析：

     • 硬度偏低：可能原因是熱處理淬火不足、回火溫度過(guò)高、材料碳含量偏低或存在嚴(yán)重脫碳。

     • 硬度偏高：可能原因是回火不充分（回火溫度過(guò)低或時(shí)間不足）、材料合金成分偏差或淬火冷卻速度過(guò)快導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力過(guò)大甚至微裂紋。

     • 硬度不均：反映熱處理爐溫均勻性差、材料成分偏析或表面脫碳深度不一致。

硬度檢測(cè)作為高強(qiáng)度螺栓連接副質(zhì)量控制的核心手段，其結(jié)果直接關(guān)系到整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的安全承載能力和長(zhǎng)期服役性能，必須嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)分析，準(zhǔn)確評(píng)判。