GB/T 3098.24-2020 标准简介
GB/T 3098.24-2020 规定了用于高温环境的不锈钢和镍合金螺栓、螺钉、螺柱和螺母的机械性能。该标准是GB/T 3098系列紧固件标准的一部分，重点关注在高温下保持结构完整性的材料，例如航空航天、发电和石油化工行业中常见的高温环境。它确保这些紧固件在高于环境温度的条件下，仍能保持强度、延展性和耐腐蚀性方面的可靠性能。
该标准将材料分为马氏体不锈钢、奥氏体沉淀硬化不锈钢和镍合金，每种材料都针对特定的高温应用而设计。关键方面包括化学成分限制、热处理工艺、机械性能测试要求以及螺栓螺母的搭配指南，以防止诸如咬合或腐蚀等问题。对于工程师和制造商而言，遵守此标准至关重要，以便选择合适的紧固件，使其能够承受热应力、氧化和蠕变，同时确保安全性和功能性。
实际上，该标准与ISO 3506等国际标准相一致，为紧固件生产的质量保证提供了框架。它强调根据使用环境选择材料的重要性，其中抗蠕变性和热膨胀系数等因素起着关键作用。例如，镍基合金（如合金718）因其优异的高温强度而备受青睐，而马氏体钢则为中等温度环境提供了经济高效的解决方案。该文件还参考了附录，列出了国内材料的等效材料以及根据GB/T 3098.25标准选择不锈钢或镍基合金的指南。
要理解此标准，需要掌握紧固件力学知识，包括高温下的应力-应变行为。该标准要求在环境温度（10°C 至 35°C）下进行测试，但建议对关键应用进行额外的高温评估。这确保紧固件满足最低抗拉强度、屈服强度和延伸率要求，从而防止使用过程中发生失效。制造商必须遵循规定的热处理工艺，以获得所需的微观结构，例如马氏体组织以提高硬度，奥氏体组织以提高延展性。总而言之，GB/T 3098.24-2020 提高了高温紧固系统的可靠性，降低了材料随时间推移而退化带来的风险。
此外，该标准还针对表面处理提出了改进建议，以减少不锈钢和镍合金因导热系数低、摩擦系数高而常见的咬合现象。建议采用润滑措施以实现稳定的扭矩-张力关系，从而提高装配效率。通过优化化学成分和加工工艺，该标准有助于生产在严苛条件下性能优异的紧固件，从而推动工程设计和材料科学的进步。
符号和标记
本文档采用以下符号，对评估紧固件性能所必需的机械和尺寸参数进行精确定义。这些符号确保测试和规范的一致性，使工程师能够准确评估载荷下的强度和伸长率等性能。
- 一个：紧固件断裂后的实际伸长量，单位为毫米（mm）。
- 一个s,nom螺纹的名义应力横截面积，单位为平方毫米（mm²）。
- 一个T：紧固件断裂后的实际高温伸长量，单位为毫米（mm）。
- b螺纹长度，单位为毫米（mm）。
- D：内螺纹的公称直径，单位为毫米（mm）。
- D2：内螺纹的基本节圆直径，单位为毫米（mm）。
- d：外螺纹的公称直径，单位为毫米（mm）。
- dh：外螺纹紧固件拉伸试验夹具或螺母抗拉强度试验夹具中的孔径，单位为毫米（mm）。
- ds：不含螺纹的柄径，单位为毫米（mm）。
- d1：外螺纹基本小径，单位为毫米（mm）。
- d2：外螺纹的基本节圆直径，单位为毫米（mm）。
- d3：外螺纹小径（用于应力面积计算），单位为毫米（mm）。
- F微纤维极限拉伸载荷，单位为牛顿（N）。
- Fmf，T高温极限拉伸载荷，单位为牛顿（N）。
- Fn,T：螺母的高温极限剥离载荷，单位为牛顿（N）。
- Fp螺母的验证载荷，单位为牛顿（N）。
- Fpf：紧固件塑性延伸 0.2% 时的实际载荷，单位为牛顿 (N)。
- Fpf，T：紧固件塑性延伸 0.2% 时的实际高温载荷，单位为牛顿 (N)。
- H：线的原始三角形高度，以毫米（mm）为单位。
- h：螺母耐压试验夹具的厚度，单位为毫米（mm）。
- L0：加载前紧固件的总长度，以毫米（mm）为单位。
- L1：断裂后紧固件的总长度，以毫米（mm）为单位。
- L2：拉伸试验前的夹持长度，单位为毫米（mm）。
- 我：外螺纹紧固件的标称长度，单位为毫米（mm）。
- 我1螺柱总长度，单位为毫米（mm）。
- 我th：紧固件测试夹具中未啮合螺纹的长度，以毫米（mm）为单位。
- 米螺母高度，单位为毫米（mm）。
- P：螺距，单位为毫米（mm）。
- 拉微纤维：紧固件的实际抗拉强度，单位为兆帕（MPa）。
- 拉mf，T：紧固件的实际高温抗拉强度，单位为兆帕（MPa）。
- 拉n,T：螺母的高温极限剥离强度，单位为兆帕（MPa）。
- 拉pf：紧固件塑性延伸 0.2% 时的实际应力，单位为兆帕 (MPa)。
- 拉pf，T：紧固件塑性延伸 0.2% 时的实际高温应力，单位为兆帕 (MPa)。
- Sp：屈服强度，单位为兆帕（MPa）。
这些符号是机械测试计算中不可或缺的一部分，例如确定抗拉强度（R）。微纤维 = F微纤维 / As,nom）和验证应力。它们有助于在设计规范中进行精确沟通，确保紧固件在制造和应用阶段得到一致的评估。对于高温环境，可以使用 R 等符号。mf，T 和 Fpf，T 考虑热效应对材料性能的影响，例如高温导致的屈服强度降低。正确使用这些标识可以避免误解，从而提高工程应用中的安全性。
此外，理解这些符号有助于遵守相关标准，其中尺寸参数（例如 d 和 P）会影响螺纹强度和载荷分布。例如，名义应力面积 As,nom 使用涉及 d 的公式计算得出。2 和 d3，对预测拉伸作用下的失效模式至关重要。
评分系统
本部分规定的所有不锈钢和镍合金均分为三大类：马氏体不锈钢（CH0、CH1、CH2、V、VH、VW）、奥氏体沉淀硬化不锈钢（SD）和镍合金（SB 和 718）。该标记系统提供了一种标准化的材料等级识别方法，确保了可追溯性，并为高温应用提供了合适的材料选择。
马氏体钢牌号如CH0（例如X20Cr13）因其可通过热处理进行淬透而著称，在中等温度下具有良好的强度。V、VH和VW牌号表示不同的屈服强度，其中VH需要R级淬透性。pf ≥ 700 MPa 可提升性能。奥氏体 SD 标记表示沉淀硬化合金，例如 X6NiCrTiMoVB25-15-2，这类合金以其耐腐蚀性和高达 650°C 的强度保持率而闻名。镍基合金 SB (NiCr20TiAl) 和 718 (NiCr19NbMo) 标记表示具有优异的抗蠕变性能，分别适用于高达 800°C 和 700°C 的温度。
标记确保组件的兼容性，防止因不匹配而导致的故障。对于润滑紧固件，会在标记后添加“Lu”（例如，SD Lu），以表示其经过表面处理，可减少磨损。该系统符合 ISO 标准，有助于紧固件制造领域的全球贸易和质量控制。
详细的标记包括材料代码、热处理状态（例如，+QT 表示淬火回火）和性能等级，以便在检验过程中快速验证。正确的标记对于库存管理和涡轮机制造等行业的法规遵从至关重要。
材料与加工
化学成分
表1至表3规定了紧固件所用不锈钢和镍合金的化学成分限值。这些限值依据相关国家标准制定，国内对应标准见附录A。除非另有约定，制造商可自行选择该组内的成分。
GB/T 3098.25 提供了选择合适合金的指导原则。成分以质量分数 (%) 表示，除非另有说明，否则均为最大值。
表1：紧固件用马氏体不锈钢的化学成分
| 材料类别 | 紧固件代码 | ISO材料等级一个 | 参考信息b | 化学成分（质量分数）/% | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 代码 | C | 硅 | 锰 | P | S | Cr | 莫 | 尼 | 铁 | 其他要素 | |||
| 马氏体不锈钢 | CH0 | X20Cr13 | 4021-420-00-1 | 0.16~0.25 | 1 | 1.5 | 0.04 | 0.030c | 12.0~14.0 | / | / | 平衡 | / |
| X20Cr13 | 1.4021* | 0.16~0.25 | 1 | 1.5 | 0.04 | 0.030c | 12.0~14.0 | / | / | / | |||
| CH1 | X30Cr13 | 4028-420-00-1 | 0.26~0.35 | 1 | 1.5 | 0.04 | 0.030c | 12.0~14.0 | / | / | / | ||
| X30Cr13 | 1.4028* | 0.26~0.35 | 1 | 1.5 | 0.04 | 0.030c | 12.0~14.0 | / | / | / | |||
| CH2 | X17CrNi16-2 | 4057-431-00-X | 0.12~0.22 | 1 | 1.5 | 0.04 | 0.03 | 15.0~17.0 | / | 1.50~2.50 | / | ||
| X17CrNi16-2 | 1.4057* | 0.12~0.22 | 1 | 1.5 | 0.04 | 0.03 | 15.0~17.0 | / | 1.50~2.50 | / | |||
| V/VHd | X22CrMoV12-1 | 4923-422-77-E | 0.18~0.24 | 0.5 | 0.40~0.90 | 0.025 | 0.015 | 11.0~12.5 | 0.80~1.20 | 0.30~0.80 | / | ||
| X22CrMoV12-1 | 1.4923** | 0.18~0.24 | 0.5 | 0.40~0.90 | 0.025 | 0.015 | 11.0~12.5 | 0.80~1.20 | 0.30~0.80 | V:0.25~0.35 | |||
| 大众汽车 | X19CrMoNbVN11-1 | 1.4913*** | 0.17~0.23 | 0.5 | 0.40~0.90 | 0.025 | 0.015 | 10.0~11.5 | 0.50~0.80 | 0.20~0.60 | V:0.10~0.30 | ||
| 数值：0.25~0.55 | |||||||||||||
| B:0.0015 | |||||||||||||
| 铝：0.020 | |||||||||||||
| N:0.05~0.10 | |||||||||||||
注意：除非另有规定，否则数值均为最大值。 一个 根据 ISO/TS 4949 标准。 b * 源自 EN 10088-3；*** 源自 EN 10269；其他源自 ISO 15510。 c 硫含量范围为 0.015%~0.030%，以提高加工性能。 d V 代表 Rpf ≥600 MPa，VH 适用于 ≥700 MPa。
表2：紧固件用奥氏体沉淀硬化不锈钢的化学成分
| 材料类别 | 紧固件代码 | ISO材料等级一个 | 参考信息b | 化学成分（质量分数）/% | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | 硅 | 锰 | P | S | Cr | 莫 | 尼 | 铁 | 其他要素 | ||||
| 奥氏体沉淀硬化不锈钢 | SDd | X6NiCrTiMoVB25-15-2 | 4980-662-86-X | 0.08c | 1 | 2 | 0.04 | 0.03 | 13.5~16.0 | 1.00~1.50 | 24.0~27.0 | 平衡 | 钛：1.90~2.35 |
| 铝：0.35 | |||||||||||||
| V:0.10~0.50 | |||||||||||||
| B:0.001~0.010 | |||||||||||||
| X6NiCrTiMoVB25-15-2 | 1.4980*** | 0.03~0.08 | 1 | 1.00~2.00 | 0.025 | 0.015 | 13.5~16.0 | 1.00~1.50 | 24.0~27.0 | 钛：1.90~2.35 | |||
| 铝：0.35 | |||||||||||||
| V:0.10~0.50 | |||||||||||||
| B:0.001~0.010 | |||||||||||||
| X6NiCrTiMoVB25-15-2 | 合金 660 S66286** | 0.08c | 1 | 2 | 0.04 | 0.03 | 13.5~16.0 | 1.00~1.50 | 24.0~27.0 | 钛：1.90~2.35 | |||
| 铝：0.35 | |||||||||||||
| V:0.10~0.50 | |||||||||||||
| B:0.001~0.010 | |||||||||||||
注意：除非另有规定，否则数值均为最大值。 一个 根据 ISO/TS 4949 标准。 b ** 来自 UNS；*** 来自 EN 10269；其他来自 ISO 15510。 c 特殊用途最低标准C。 d 建议进行二次熔炼以获得更佳性能。
表3：紧固件用镍合金的化学成分
| 材料类别 | 紧固件代码 | ISO材料等级一个 | 参考信息b | 化学成分（质量分数）/% | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | 硅 | 锰 | P | S | Cr | 莫 | 尼 | 铁 | 其他要素 | ||||
| 镍合金 | SBd | NiCr20TiAl | 合金 80A N07080** | 0.10c | 1 | 1 | 0.045 | 0.015 | 18.0~21.0 | / | 平衡 | 3 | 钛：1.80~2.7 |
| 铝：1.0~1.8 | |||||||||||||
| 公司：2.0 | |||||||||||||
| 铜：0.2 | |||||||||||||
| B:0.008 | |||||||||||||
| NiCr20TiAl | 2.4952*** | 0.04~0.10c | 1 | 1 | 0.02 | 0.015 | 18.0~21.0 | / | ≥65.0 | 1.5 | 钛：1.80~2.7 | ||
| 铝：1.0~1.8 | |||||||||||||
| 公司：1.0 | |||||||||||||
| 铜：0.2 | |||||||||||||
| B:0.008 | |||||||||||||
| 718d | NiCr19NbMo | 合金 718 N07718** | 0.08c | 0.35 | 0.35 | 0.015 | 0.015 | 17.0~21.0 | 2.80~3.30 | 50.0~55.0 | 平衡 | 数值：4.75~5.50 | |
| 钛：0.65~1.15 | |||||||||||||
| 铝：0.2~0.8 | |||||||||||||
| 公司：1.0 | |||||||||||||
| 铜：0.3 | |||||||||||||
| B:0.006 | |||||||||||||
| NiCr19NbMo | 2.4668** | 0.02~0.08c | 0.35 | 0.35 | 0.015 | 0.015 | 17.0~21.0 | 2.80~3.30 | 50.0~55.0 | 数值：4.75~5.50 | |||
| 钛：0.60~1.20 | |||||||||||||
| 铝：0.3~0.7 | |||||||||||||
| 公司：1.0 | |||||||||||||
| 铜：0.3 | |||||||||||||
| B:0.002~0.006 | |||||||||||||
注意：除非另有规定，否则数值均为最大值。 一个 根据 ISO/TS 4949 标准。 b ** 来自 UNS；*** 来自 EN 10269。 c 特殊用途最低标准C。 d 建议进行二次熔炼以获得更佳性能。
化学成分经过精心设计，旨在优化耐腐蚀性、强度和高温稳定性等性能。例如，马氏体钢中高铬含量可增强抗氧化性，而合金718中的铌则可抑制蠕变。严格控制磷和硫等元素的含量可最大限度地减少脆化。制造商必须通过光谱分析验证成分，以确保符合标准，因为任何偏差都可能导致使用性能下降。本节强调了材料纯度对于高温环境下长期可靠性的重要性。
热处理
按照本标准制造的紧固件必须经过热处理，以达到第7章规定的机械性能。表4详细列出了热处理方案，并据此选择了马氏体钢的最低回火温度。未规定的保温时间由制造商根据所需的性能和使用温度自行选择。
工艺流程：对于 SD、SB 和 718 螺纹，需要进行固溶处理 (AT)，最好在成型后进行。对于高强度外螺纹 (R)，则需要进行固溶处理。微纤维 ≥1100 MPa），AT处理可根据协议在原材料上进行。冷镦或热锻紧固件的热处理在成型后进行。对于机加工紧固件，热处理可在原材料或成品上进行，螺纹加工可在热处理前后进行。
表4：紧固件推荐热处理工艺
| 紧固件代码 | 热处理条件 | 淬火/固溶处理温度（及保温时间）°C | 回火/沉淀硬化温度（及保温时间）°C |
|---|---|---|---|
| CH0 | +QT | 950~1050 | ≥450一个 |
| CH1 | +QT | 950~1050 | ≥450一个 |
| CH2 | +QT | 950~1050 | ≥450一个 |
| V | +QT | 1020~1070 | ≥680 |
| VH | +QT | 1020~1070 | ≥660 |
| 大众汽车 | +QT | 1100~1130 | ≥670 |
| SD | +AT+P | 970~990（≥1 小时） | 710~730（≥16 小时） |
| 890~910（≥1 小时） | |||
| SB | +AT+P | 1050~1080 | 步骤 1：840~860（≥24 小时） 步骤 2：690~710（≥16 小时） |
| 718 | +AT+P | 940~1010 | 步骤 1：7:10~7:30（≥8 小时） 步骤 2：610~630（≥18 小时） |
QT：淬火回火；AT：固溶处理（退火）；P：沉淀硬化。 一个 避免温度达到 500°C~600°C，以防止韧性损失和晶间腐蚀（见附录 B）。
热处理可优化材料的微观结构以获得所需的性能，例如硬化马氏体钢或在镍合金中析出相以提高强度。处理不当会导致脆性增加或耐腐蚀性降低。制造商必须监控温度和冷却速率以获得均匀的性能，并通过处理后检验来确保符合标准。
表面处理
除非另有规定，紧固件应进行清洁和抛光。建议在装配过程中使用润滑剂以防止咬合，尤其是在高扭矩或高转速下。增加咬合风险的因素包括螺纹损坏和高预紧力。
注1：高拧紧速度等参数会增加咬合风险。注2：目前尚无国家标准对这些合金的表面缺陷或扭矩夹紧力做出规定。
表面处理可提供可控的扭矩-张力，并以“Lu”标记（例如，SD Lu）。特殊要求可另行协商。
表面光洁度对性能至关重要，它能降低摩擦并增强耐腐蚀性。抛光可去除氧化物，而润滑则可确保可靠的预紧力。在高温环境下，涂层必须能够承受热降解。
螺栓和螺母配对设计
螺栓、螺钉、螺柱和螺母应按照表 5 进行配对。螺母应与相同代码的紧固件匹配（例如，CH0 螺栓配 CH0 螺母）。如需使用不同材料，请咨询专家，并考虑腐蚀和咬合等因素。
当被夹紧部件与紧固件材料不同时，应采取隔离措施以避免电偶腐蚀。
表5：螺栓、螺钉、螺柱和螺母的组合
| 螺栓、螺钉、螺柱 | 坚果 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CH0 | CH1 | CH2 | V、VH、大众 | SD | SB | 718 | |
| CH0 | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| CH1 | ✓ | ✓ | 可能的组合 | ✓ | ✓ | ||
| CH2 | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | ||
| V、VH、大众 | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ | |||
| SD | ✓ | ✓ | ✓ | ||||
| SB | ✓ | ✓ | |||||
| 718 | ✓ | ||||||
配对可确保负载分布和兼容性，最大限度地降低诸如剥落等风险。对于非标准配对，专家咨询至关重要。
耐高温环境性能
这些材料适用于蠕变强度决定尺寸且氧化发生在高温下的环境。SD、SB 和 718 还具有良好的耐湿腐蚀性能。
通过合金化，铬可以形成保护性氧化物，从而提高材料的抗氧化性和抗结垢性。抗蠕变性对于高温下的长期载荷至关重要。
在燃气轮机等应用中，这些材料在热循环下保持完整性，防止因疲劳或脆化而导致的失效。
紧固件工作温度
第7章所述性能测试温度范围为10℃~35℃。高温使用会降低性能。表6列出了推荐的最高温度，但实际温度可能因具体情况而降低。
对于特定应用，按照第 10 章进行高温拉伸、蠕变或松弛试验，模拟装配条件。
表 6：紧固件推荐最高工作温度
| 紧固件代码 | 最高工作温度（摄氏度） |
|---|---|
| CH0 | 400 |
| CH1 | 400 |
| CH2 | 450 |
| V | 600 |
| VH | 600 |
| 大众汽车 | 600 |
| SD | 650 |
| SB | 800 |
| 718 | 700 |
这些温度值指导设计，并考虑氧化和蠕变等因素。测试确保其在实际使用中的性能。
紧固件的力学性能
螺栓、螺钉和螺柱
按照第 9 章进行测试时，环境温度下的机械性能应符合表 7-11 的规定，适用于制造过程中或成品。
表7：螺栓、螺钉和螺柱的常温力学性能
| 紧固件代码 | 最小抗拉强度 R微纤维 /兆帕 | 0.2% 塑性延伸率下的应力 Rpf /兆帕 | 断裂后最小伸长率 A / mm | 硬度 HV (F≥98N) | 硬度 HRC |
|---|---|---|---|---|---|
| CH0 | 800 | 600 | 0.20天 | 250~320 | 22~32 |
| CH1 | 850 | 650 | 0.20天 | 270~380 | 26~39 |
| CH2 | 860 | 690 | 0.20天 | 260~320 | 25~32 |
| V | 800 | 600 | 0.20天 | 250~320 | 22~32 |
| VH | 900 | 700 | 0.20天 | 280~360 | 28~38 |
| 大众汽车 | 900 | 750 | 0.20天 | 280~360 | 28~38 |
| SD | 900 | 600 | 0.25天 | 250~360 | 22~38 |
| SB | 1000 | 600 | 0.20天 | 320~410 | 32~42 |
| 718 | 1230 | 1030 | 0.20天 | 345~480 | 36~48 |
表 8：环境温度下粗线的最小拉伸载荷
| 螺纹尺寸 d | 名义应力区 As,nom 平方毫米 | 最小拉伸载荷 F微纤维 N | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CH0 | CH1 | CH2 | V | VH | 大众汽车 | SD | SB | 718 | ||
| M3 | 5.03 | 4030 | 4280 | 4330 | 4030 | 4530 | 4530 | 4530 | 5040 | 6190 |
| M39 | 976 | 780700 | 829400 | 839200 | 780700 | 878200 | 878200 | 878200 | 975800 | 1200200 |
Fmf，最小 = As,nom × Rmf，最小数值按标准四舍五入。
这些特性确保紧固件在承受拉伸载荷时不会发生过度变形。例如，高R值微纤维 718 型号适用于要求苛刻的应用。其硬度范围可防止脆化，同时保持强度。
坚果
螺母的机械性能要求与螺栓类似，主要侧重于耐高温下的试验载荷和剥离强度。螺母的性能必须与螺栓的性能相匹配，以避免组件中出现薄弱环节。
测试方法
第 9 章规定的测试包括 R 的拉伸测试。微纤维 和 Rpf根据第十章的规定，进行硬度测量和高温蠕变和松弛性能评估。这些方法确保在模拟条件下对材料性能进行准确评估。
常问问题
合金718紧固件推荐采用何种热处理方法？
在 940~1010°C 下进行固溶处理，然后进行两步沉淀硬化：710~730°C 下保持 ≥8 小时，然后在 610~630°C 下保持 ≥18 小时。这可以提高强度和抗蠕变性。
如何防止不锈钢紧固件出现咬合现象？
涂抹润滑剂或涂层，控制拧紧速度，并确保螺纹表面光洁度良好。润滑型产品标有“Lu”。
马氏体钢的最高工作温度是多少？
CH0 和 CH1：400°C；CH2：450°C；V、VH、VW：600°C。超过这些温度可能会导致性能下降。
螺栓和螺母可以使用不同的材料代码吗？
是的，根据表 5，但请咨询专家以评估腐蚀和磨损风险。
为什么建议对SD合金和镍合金进行二次熔炼？
它提高了纯度和均匀性，增强了机械性能和抗高温降解能力。
名义应力面积 A 是多少？s,nom 计算？
使用涉及节圆直径 d 的公式2 以及小径 d3根据 9.1.5 进行负载计算。
