GB/T 3098.22-2009 标准规定了细晶粒非淬火回火钢制成的螺栓、螺钉和螺柱的力学性能。该标准对于确保紧固件在各种机械应用中的可靠性和性能至关重要，尤其是在无需传统热处理工艺即可获得高强度和高延展性的场合。细晶粒非淬火钢通过可控轧制和冷却工艺获得其优异的性能，从而形成具有卓越韧性和强度的微观结构。与淬火回火钢相比，这种方法降低了制造成本和环境影响。
该标准适用于螺纹直径为 5 毫米至 16 毫米的紧固件，定义了 8.8F、9.8F 和 10.9F 等性能等级，这些等级代表了针对特定用途定制的抗拉强度和屈服特性。例如，8.8F 级紧固件的标称抗拉强度为 800 兆帕，适用于一般工程应用；而 10.9F 级紧固件的标称抗拉强度更高，达到 1000 兆帕，适用于结构螺栓等要求更高的应用。该标准还包含了对化学成分、晶粒尺寸和机械性能测试的要求，以确保产品的一致性。
主要优势包括：由于细晶粒结构，抗疲劳性能显著提高，从而最大限度地减少裂纹扩展。制造商必须遵守规定的材料等级，例如 MFT8、MFT9 和 MFT10，每种等级对应特定的性能水平。该标准参考附录，其中列出了材料技术条件和加工指南，以确保紧固件的质量符合国际标准。测试在 10°C 至 35°C 的环境温度下进行，并在 -20°C 下进行冲击试验，以评估其低温性能。
实际上，该标准通过提供明确的承载能力指南，为汽车、建筑和机械等行业提供支持。例如，屈服强度比确保紧固件能够在不发生永久变形的情况下承受规定的载荷。用户应注意，即使材料符合标准，几何因素也可能影响整体性能，因此需要仔细设计。该标准提倡在冷成型后进行稳定化处理以增强材料性能。
总体而言，GB/T 3098.22-2009 与 ISO 898 等全球标准相一致，有利于国际贸易。它强调表面完整性，并参考了 GB/T 5779.1 等缺陷标准，以防止因不连续性导致的失效。遵循此标准，工程师可以选择合适的紧固件，从而优化装配的安全性和效率。这一全面的框架涵盖了从原材料选择到最终产品验证的各个方面，使其成为机械紧固技术的基石。
物料需求
用于细晶粒非淬火钢紧固件的材料必须满足标准附录 A 中规定的严格技术条件。这些条件包括材料等级、化学成分、铁素体晶粒尺寸和机械性能等方面的规范。细晶粒结构是通过热机械加工实现的，无需淬火和回火即可确保性能均匀。标准定义了 MFT8、MFT9 和 MFT10 等材料等级，每种等级都针对特定的性能水平而设计。
化学成分通常涉及控制碳、锰、硅以及铌或钒等微合金元素的含量，以细化晶粒尺寸并提高强度。例如，铁素体晶粒尺寸应小于 ASTM 8 标准，以提高韧性。这些条件确保用于冷成型的钢丝棒在生产过程中保持一致性。
适用的紧固件包括螺栓、螺钉、螺柱和杆，其螺纹标称直径为 5 毫米至 16 毫米。表 2 详细列出了对应关系：
| 材料等级 | 螺纹标称直径（毫米） | 表现等级 | 适用产品 |
|---|---|---|---|
| MFT8 | 5~16 | 8.8华氏度，08.8华氏度 | 螺栓、螺钉、螺柱和杆 |
| MFT9 | 5~16 | 9.8华氏度，09.8华氏度 | |
| MFT10 | 5~16 | 10.9F，010.9F | 螺柱和杆 |
建议的工艺流程包括在冷成型后进行稳定化处理以优化性能。附录 B 提供了将热轧线材加工成紧固件的指导原则，包括必要时的退火或球化处理。这可确保最终产品具备所需的机械性能且无缺陷。
在选材方面，工程师应考虑环境因素；对于腐蚀性环境，可能需要额外的涂层，但该标准主要侧重于基材的性能。符合这些要求可最大限度地降低高强度钢中常见的氢脆等风险。详细的化学成分限制可防止出现过度淬透性或焊接性能差等问题。
此外，该标准要求从原材料到成品实现可追溯性，从而支持 ISO 9001 等质量控制体系。通过遵守这些材料要求，制造商可以生产出在动态载荷下可靠工作的紧固件，从而延长桥梁或车辆等应用中的使用寿命。
机械和物理性能
紧固件必须符合表 3 规定的机械和物理性能要求，并在 10°C 至 35°C 的环境温度下进行测试，同时在 -20°C 下进行夏比冲击试验。这些性能确保了紧固件在实际使用条件下的可靠性。例如，8.8F 级钢材的抗拉强度 (Rm) 至少为 800 MPa，这体现了钢材承受拉力的能力。
屈服强度，以 0.2% 屈服强度 (Rp0.2) 来衡量，对于防止塑性变形至关重要。屈服强度 (Sp) 提供安全裕度，例如 8.8F 的屈服强度比值为 0.91。延展性通过伸长率 (A) 和断面收缩率 (Z) 来评估，确保紧固件能够在不发生脆性断裂的情况下发生变形。
硬度测试（维氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度）验证了材料的均匀性，其范围可防止材料过脆或过软。在-20℃下冲击能量（KV）至少为27 J，证实了材料在低温环境下的韧性。表面缺陷按照GB/T 5779.1标准进行控制。
| 项目编号 | 机械和物理性能 | 表现等级 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 8.8华氏度 | 9.8华氏度 | 10.9华氏度 | |||
| 1 | 抗拉强度 Rm/MPa | 名义上的一个 | 800 | 900 | 1000 |
| 最小 | 800 | 900 | 1040 | ||
| 2 | 在 0.2% 非比例伸长率下的应力，Rp0.2/MPa | 名义上的一个 | 640 | 720 | 900 |
| 最小 | 640 | 720 | 940 | ||
| 3 | 抗应力b/MPa | 名义上的 | 580 | 650 | 830 |
| 屈服强度比 Sp（标称）/ Rp0.2（最小） | 0.91 | 0.9 | 0.88 | ||
| 4 | 断裂后的伸长 A/% | 最小 | 12 | 10 | 9 |
| 5 | 面积减小 Z/% | 最小 | 52 | 48 | 48 |
| 6 | 头部健康状况 | 无骨折 | |||
| 7 | 维氏硬度 HV F≥98N | 最小 | 250 | 290 | 320 |
| 最大限度 | 320 | 360 | 380 | ||
| 8 | 布氏硬度 HBW F=30D² | 最小 | 238 | 276 | 304 |
| 最大限度 | 304 | 342 | 361 | ||
| 9 | 洛氏硬度 HRC | 最小 | 22 | 28 | 32 |
| 最大限度 | 32 | 37 | 39 | ||
| 10 | 断裂扭矩 MB/Nm | 最小 | 参见GB/T 3098.13 | ||
| 11 | 冲击能量 KV光盘/J | 最小 | 27 | ||
| 12 | 表面缺陷 | GB/T 5779.1e | |||
笔记： 一个 标记的标称值。 b 有关试验载荷，请参见表 5 和表 7。 c 在-20°C。 d 对于 d=16 毫米。 e GB/T 5779.3 经协商一致。
这些特性对于需要高周疲劳强度的应用至关重要。细晶粒微观结构有助于提高冲击韧性，从而降低振动环境下的失效风险。硬度限制确保了材料的可加工性和耐磨性。
适用的测试方法和注意事项
该标准第4章概述了验证性能的测试方法，包括拉伸试验、保证载荷试验、硬度试验和冲击试验。这些方法适用于各种紧固件类型和尺寸，第3章具体规定了适用性。例如，拉伸试验使用机加工试样来精确测量Rm和Rp0.2。
验证载荷试验证实紧固件在承受冲击载荷（Sp）时不会发生变形，这对于预紧应用至关重要。对紧固件表面进行硬度测试以确保其均匀性。冲击试验采用夏比V型缺口试样，在-20°C下进行KV值测量，以评估其抗脆性断裂性能。
需要考虑的因素包括尺寸效应；即使材料符合规范，较小的紧固件也可能降低承载能力。测试期间的环境条件必须得到控制。其他方法，例如缺陷检测方法（如GB/T 5779.3），需要获得相关协议。
测试步骤的有序列表：
- 按标准尺寸制备样品。
- 在规定的温度下进行测试。
- 记录结果并与表 3 的限制进行比较。
- 目视检查并采用无损检测方法检查缺陷。
影响测试结果的无序因素：
- 螺纹几何形状影响应力分布。
- 冷成型等制造工艺。
- 涂层可能会改变材料性能。
这些方法确保了可追溯性和质量，符合国际标准。实际上，定期校准设备至关重要。
粗螺纹和细螺纹的载荷表
表4至表7列出了粗螺纹和细螺纹的最小拉伸载荷和验证载荷，计算采用标称应力面积（As,nom）。对于热浸镀锌紧固件，应按照GB/T 5267.3附录A进行减值。
表 4：粗线最小拉伸载荷 (Fm,min = As,nom × Rm,min / N)。
| 螺纹尺寸 d | 名义应力面积 As,nom / mm² | 表现等级 | ||
|---|---|---|---|---|
| 8.8华氏度 | 9.8华氏度 | 10.9华氏度 | ||
| 最小拉伸载荷 Fm,min / N | ||||
| M5 | 14.2 | 11360 | 12780 | 14768 |
| M6 | 20.1 | 16080 | 18090 | 20904 |
| M7 | 28.9 | 23120 | 26010 | 30056 |
| M8 | 36.6 | 29280 | 32940 | 38064 |
| M10 | 58 | 46400 | 52200 | 60320 |
| M12 | 84.3 | 67440 | 75870 | 87672 |
| M14 | 115 | 92000 | 103500 | 119600 |
| M16 | 157 | 125600 | 141300 | 163280 |
表 5：粗牙螺纹的验证载荷（Fp = As,nom × Sp / N）。根据标准计算修正后的数值。
| 螺纹尺寸 d | 名义应力面积 As,nom / mm² | 表现等级 | ||
|---|---|---|---|---|
| 8.8华氏度 | 9.8华氏度 | 10.9华氏度 | ||
| 验证载荷 Fp / N | ||||
| M5 | 14.2 | 8240 | 9230 | 11790 |
| M6 | 20.1 | 11660 | 13070 | 16680 |
| M7 | 28.9 | 16760 | 18790 | 23990 |
| M8 | 36.6 | 21230 | 23790 | 30380 |
| M10 | 58 | 33640 | 37700 | 48140 |
| M12 | 84.3 | 48890 | 54800 | 69970 |
| M14 | 115 | 66700 | 74750 | 95450 |
| M16 | 157 | 91060 | 102050 | 130310 |
表 6：细线的最小拉伸载荷。
| 螺纹尺寸 d×p | 名义应力面积 As,nom / mm² | 表现等级 | ||
|---|---|---|---|---|
| 8.8华氏度 | 9.8华氏度 | 10.9华氏度 | ||
| 最小拉伸载荷 Fm,min / N | ||||
| M8×1 | 39.2 | 31360 | 35280 | 40768 |
| M10×1 | 64.5 | 51600 | 58050 | 67080 |
| M10×1.25 | 61.2 | 48960 | 55080 | 63648 |
| M12×1.25 | 92.1 | 73680 | 82890 | 95784 |
| M12×1.5 | 88.1 | 70480 | 79290 | 91624 |
| M14×1.5 | 125 | 100000 | 112500 | 130000 |
| M16×1.5 | 167 | 133600 | 150300 | 173680 |
表 7：细牙螺纹的验证载荷。
| 螺纹尺寸 d×p | 名义应力面积 As,nom / mm² | 表现等级 | ||
|---|---|---|---|---|
| 8.8华氏度 | 9.8华氏度 | 10.9华氏度 | ||
| 验证载荷 Fp / N | ||||
| M8×1 | 39.2 | 22740 | 25480 | 32540 |
| M10×1 | 64.5 | 37410 | 41930 | 53540 |
| M10×1.25 | 61.2 | 35490 | 39780 | 50800 |
| M12×1.25 | 92.1 | 53420 | 59870 | 76440 |
| M12×1.5 | 88.1 | 51090 | 57270 | 73120 |
| M14×1.5 | 125 | 72500 | 81250 | 103750 |
| M16×1.5 | 167 | 96860 | 108550 | 138610 |
这些表格有助于进行设计计算，确保安全预紧力和极限强度。As,nom 的计算依据 9.1.6.1。
附录和建议
附录 A 详细列出了 MFT8 至 MFT10 牌号的材料技术条件，包括化学成分和晶粒尺寸。它确保原材料能够满足规定的性能要求。附录 B 提供了将热轧钢丝加工成紧固件的指导原则，并推荐了成型后用于改善微观结构的稳定化处理方法。
建议采用可控冷却方式以保持晶粒细小，避免过热导致晶粒粗化。为获得最佳性能，应将这些建议与最佳制造工艺相结合。
常问问题
- 本标准中什么是细晶粒非淬火钢？
- 它是指通过热机械轧制加工，获得细小铁素体晶粒，无需淬火和回火即可提供高强度的钢材，如GB/T 3098.22-2009所定义。
- 这与淬火回火钢紧固件有何不同？
- 非淬火型钢依靠微合金化和可控冷却来获得性能，从而节省成本并提高韧性，而淬火型钢则通过热处理来提高硬度。
- 这些紧固件的尺寸限制是什么？
- 适用于公称直径为 5 毫米至 16 毫米的规格，其中 10.9F 等特定等级仅限于螺柱和杆件。
- 如何测试冲击韧性？
- 使用夏比 V 型缺口冲击试验，在 -20°C 下冲击 d=16 mm 时，最小能量为 27 J，以确保低温下的性能。
- 表面缺陷通常会引发哪些问题？
- 裂缝或接缝等缺陷会降低承载能力；检验和验收标准参考GB/T 5779.1。
- 涂层能否调整试验载荷？
- 是的，对于热浸镀锌 6g/6az 螺纹，减薄量按照 GB/T 5267.3 附录 A 计算，以考虑厚度效应。
