緊固件享有"工業(yè)之米"的美譽，是應(yīng)用量最大的基礎(chǔ)零部件，近兩年我國緊固件產(chǎn)量持續(xù)增長，年產(chǎn)量超過了900萬噸，居世界首位。高強度緊固件廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、橋梁、建筑等領(lǐng)域，具有承載力高、施工簡便等優(yōu)點，已成為工程連接中的重要手段。近年來，隨著機(jī)械、汽車、建筑、橋梁等強度水平的要求不斷提高，緊固件的強度及服役條件也越來越高[1-3]。在當(dāng)前"碳達(dá)峰"和"碳中和"政策下，汽車、高鐵、航空、航天、國防等國家重大裝備制造用螺栓對長壽命高強度緊固件有緊迫需求。高強度緊固件可在相同夾持力下，減小自身尺寸實現(xiàn)降低自重并擴(kuò)大裝配空間，因此，可對被連接部件進(jìn)行功能和體積優(yōu)化，滿足整體減重和性能優(yōu)化的目的。據(jù)報道，上海大學(xué)成功研制出16.8級和19.8級緊固件，香港九號碼頭棧橋?qū)嶋H應(yīng)用14.9級塔吊錨固大螺栓，新能源汽車因結(jié)構(gòu)設(shè)計及輕量化發(fā)展，在多個部位應(yīng)用14.9級得高強度緊固件。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。僅在飛機(jī)減重方面，高強度緊固件就有巨大的市場需求。由此可見，高強度緊固件鋼具有很好的市場發(fā)展前景。高強度化是鋼材發(fā)展的重要方向，但也帶來了韌塑性降低、疲勞破壞和延遲斷裂敏感性增加等挑戰(zhàn)。在追求高力學(xué)性能的同時，材料還需具備良好的工藝適應(yīng)性和服役性能，以確保在實際應(yīng)用中的可靠性。因此，實現(xiàn)材料生產(chǎn)、零件制造與服役評價之間的技術(shù)匹配至關(guān)重要。這要求在材料設(shè)計和加工過程中，綜合考慮力學(xué)性能與工藝性能，以滿足現(xiàn)代工業(yè)對高強度鋼的多重需求。

1、典型高強度緊固件應(yīng)用分析

緊固件連接是結(jié)構(gòu)件重要連接形式，應(yīng)用場景廣泛，要求復(fù)雜。對于緊固件，要求高可靠、長壽命，需綜合考慮良好的力學(xué)性能、加工性能及熱處理性能，針對特定的應(yīng)用環(huán)境和產(chǎn)品，需單獨設(shè)計制造工藝和模具等，以實現(xiàn)高耐磨、高表面質(zhì)量以及高的抗疲勞性能。緊固件產(chǎn)品一般需進(jìn)行保載荷、契負(fù)載、堅固性、扭矩、疲勞等試驗評價，特定性能和應(yīng)用環(huán)境實施特別評價，確保安全可靠。分析關(guān)系圖如圖1所示。

1.1　動車緊固件

動車緊固件在服役過程中面臨極為嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境，主要特征包括：①極寒與極熱條件下的工作，伴隨顯著的溫差變化；②車速差異大，且震動頻繁；③在運行中承受拉壓、剪切和彎曲的交變載荷；④重載與高疲勞的工作狀態(tài)。隨著高速動車組動力系統(tǒng)向大容量、大型化和更高功率轉(zhuǎn)速的不斷發(fā)展，工況條件變得愈加復(fù)雜和苛刻。在這樣的環(huán)境下，螺栓的斷裂失效成為影響高速動車組安全運行的重大隱患，直接關(guān)系到人民的生命和財產(chǎn)安全。高速動車組高強度螺栓屬于準(zhǔn)高周疲勞[4]，因此，對高速動車組高強度螺栓的性能要求顯著提高，需要考慮螺栓的強度、屈強比匹配、韌性指標(biāo)和純凈度等，同時在材料選擇、設(shè)計和加工工藝上進(jìn)行全面優(yōu)化，以確保其在極端工況下的可靠性和耐久性。

1.2　風(fēng)電緊固件

風(fēng)電緊固件長期野外服役，環(huán)境惡劣，維修困難，要求在正常連續(xù)工作情況下，必須保證使用壽命20a以上。近年來，風(fēng)電行業(yè)向大容量的兆瓦級別快速發(fā)展，目前，已有超15MW設(shè)計和應(yīng)用。全球海上風(fēng)電的裝機(jī)容量正在迅速增長，成為風(fēng)電行業(yè)的重要組成部分。與陸上風(fēng)能相比，海上風(fēng)能具有多項顯著優(yōu)勢：首先，海上風(fēng)電占地面積較小，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，電力生產(chǎn)能力大，運行效率高；其次，海上風(fēng)能資源通常比陸上高出20%至40%[5]；最后，海洋環(huán)境中風(fēng)速較大且風(fēng)向變化幅度小，有助于減少風(fēng)電機(jī)組的磨損，從而延長其使用壽命[6]。然而，海上風(fēng)電場的工作環(huán)境相對惡劣，存在高鹽濃度和較大的沉積率，導(dǎo)致金屬腐蝕速率顯著加快[7]。這種環(huán)境條件使得海上風(fēng)電機(jī)組的螺栓及相關(guān)緊固件的服役壽命大幅降低，嚴(yán)重時甚至可能引發(fā)風(fēng)電機(jī)組倒塌等安全事故。因此，風(fēng)能緊固件需要有更強的機(jī)械性能、更高的耐腐蝕性及長期穩(wěn)定可靠的疲勞性能。

1.3　汽車緊固件

汽車緊固件種類繁多，其中非標(biāo)準(zhǔn)緊固件質(zhì)量要求最高。如汽車發(fā)動機(jī)連桿螺栓、飛輪螺栓、輪轂螺栓等由于其要求很高的質(zhì)量和良好的穩(wěn)定性，大部分依賴進(jìn)口[8]。保證動力傳遞安全的發(fā)動機(jī)連桿、缸蓋飛輪、變速箱螺栓等，一半以上采用10.9級及以上的高強度緊固件。從召回的汽車來看，事故的60％～70％都與緊固件有關(guān)[9]。盡管國內(nèi)汽車緊固件企業(yè)與國際先進(jìn)水平仍有差距，但經(jīng)過長期發(fā)展，我國緊固件企業(yè)已建立了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和優(yōu)勢。隨著汽車市場競爭的加劇，尤其是新能源汽車的快速崛起，汽車緊固件在輕量化、環(huán)保和長壽命等方面的要求不斷提升。這促使企業(yè)加大技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)力度，以適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的新需求，提升市場競爭力。

2、高強緊固件鋼研究進(jìn)展

2.1　高強緊固件用鋼發(fā)展

高強緊固件的研發(fā)始于20世紀(jì)初，最早在美國、聯(lián)邦德國和日本取得成功，而我國的相關(guān)研究則是在1960年代才開始應(yīng)用。早期的高強緊固件由于面臨延遲斷裂的問題，其強度一般不超過1000MPa，采用的主要是中碳鋼或中碳含硼鋼[10-11]。19世紀(jì)末，英國、法國和美國等國開始開發(fā)中碳鉻鎳鋼（CrNi鋼），但由于鎳資源日益緊缺，逐漸轉(zhuǎn)向在鋼中添加鉻、錳和鉬等元素，形成了鉻鉬系列高強鋼（如CrMo鋼）[12]。這些Cr和CrMo系鋼因其優(yōu)異的耐延遲斷裂性能，廣泛應(yīng)用于高強度緊固件的制造，如40Cr、SCM435（35CrMo）和SCM440（42CrMo）等，至今仍是10.9級和12.9級緊固件的重要原材料。從20世紀(jì)50年代開始，美國、德國和日本等國充分利用微量硼（B）元素顯著提高鋼的淬透性，進(jìn)而降低合金元素的使用和成本，逐步開發(fā)出一系列硼鋼。這些硼鋼逐漸取代了許多中碳鋼和中碳合金鋼，成為制造8.8至10.9級高強緊固件的主要材料[10]。

目前，中低碳硼鋼已成為高強緊固件的重要鋼種，以錳硼（MnB）系列為主，同時還有鉻硼（CrB）、錳鉻硼（MnCrB）和錳釩硼（MnVB）等系列，因此，微合金化硼鋼的發(fā)展顯得尤為重要。然而，由于硼在抗回火軟化方面的能力較弱，熱處理過程中易導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化，從而增加延遲斷裂的風(fēng)險。但我國開發(fā)的ML15MnVB和日本研發(fā)的鈦微合金化FIRST硼鋼等，均展現(xiàn)出優(yōu)良的抗延遲斷裂性能[13]。隨著對合金化理論認(rèn)識的深入，含硼鋼將在未來得到更廣泛的應(yīng)用，推動高強緊固件的技術(shù)進(jìn)步和性能提升。

2.2　超高強度緊固件用鋼發(fā)展

隨著結(jié)構(gòu)件對更高應(yīng)力設(shè)計需求的增加和輕量化發(fā)展的趨勢，12.9級以上的超高強度螺栓需求愈發(fā)迫切。然而，當(dāng)鋼材強度超過1200MPa時，疲勞破壞和延遲斷裂問題變得更加突出，特別是螺紋螺栓作為缺口零件，其缺口敏感性更高，面臨更大的風(fēng)險。在延遲斷裂機(jī)理的研究推動下，國外超高強螺栓鋼的開發(fā)進(jìn)展迅速。例如，日本住友金屬推出的ADS系列和神戶制鋼的KNDS系列馬氏體型耐延遲斷裂超高強螺栓鋼，經(jīng)過合金成分和回火溫度的優(yōu)化，其抗拉強度可達(dá)到1200～1500MPa，同時回火抗力也顯著提升。

此外，美國工業(yè)緊固件協(xié)會（IFI）近期發(fā)布了已實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的15.8級和16.8級超高強緊固件，這些材料與SAE8640相似，通過控制下貝氏體組織的形成，大幅提高了緊固件的耐延遲斷裂性能。這些進(jìn)展為滿足現(xiàn)代工程對超高強度螺栓的需求提供了重要支持。

21世紀(jì)初，我國也開發(fā)出耐延遲斷裂高強度ADF系列13.9級和14.9級螺栓馬氏體型超高強螺栓鋼，并得到應(yīng)用[14]。近期據(jù)報道，董翰研究團(tuán)隊已試制出19.8級超高強度緊固件。隨著理論研究的深入，在鋼中導(dǎo)入更多的氫陷阱可有效解決延遲斷裂問題[15-16]，在含鉬鋼中，大量碳化物作為氫陷阱，有效抑制氫引發(fā)的脆性破壞?；鼗疬^程中，細(xì)小的碳化物析出并展現(xiàn)出顯著的二次硬化現(xiàn)象，從而提高了回火抗力。此外，鉬的添加還可以減少雜質(zhì)元素在晶界的偏聚，增強晶界強度。因此，鉬的引入不僅能確保鋼材的高強度，還顯著提升了其耐延遲斷裂性能。

2.3　高強度非調(diào)質(zhì)緊固件鋼發(fā)展

用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)緊固件，可簡化生產(chǎn)工序，縮短生產(chǎn)周期，具有節(jié)能環(huán)保等特點，應(yīng)用日益廣泛。黃志國等[17]從晶粒細(xì)化、位錯強化等方面探討了10.9級非調(diào)鋼的強韌性機(jī)理，研究了冷鐓鋼軋材和深加工緊固件的組織性能調(diào)控的重要性；董秋瑤、王利軍等[18-19]均發(fā)現(xiàn)加工硬化時效處理規(guī)律，隨著時效溫度升高，強度和硬度先增大后減小，屈強比變化不大，塑性得到改善。董秋瑤等[18]從機(jī)理上揭示了該現(xiàn)象的原因，認(rèn)為是冷加工過程形成了大量位錯胞，阻礙位錯運動，同時，基體中的納米級鈮、釩碳氮化物，經(jīng)時效處理后碳氮化物和鐵素體基體中的碳、氮原子發(fā)生擴(kuò)散至位錯處，形成柯氏氣團(tuán)，起到釘扎位錯的作用，從而提高強度、硬度和塑性。目前，非調(diào)質(zhì)鋼在緊固件制造中主要通過冷作強化。然而，在實際應(yīng)用中，10.9級及以上的非調(diào)質(zhì)鋼高強度緊固件面臨一些挑戰(zhàn)，如模具磨損嚴(yán)重以及冷拔工藝與產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性之間的匹配問題，因此，亟需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。這使得非調(diào)質(zhì)緊固件鋼在市場上，尤其是在應(yīng)用量大的帶螺頭螺栓領(lǐng)域受到限制。盡管如此，冷作強化型非調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)勢在于省去了退火和調(diào)質(zhì)處理工序，避免了熱處理可能引發(fā)的一系列質(zhì)量問題，特別是在保證細(xì)長螺栓的直線度方面，冷作強化型鋼表現(xiàn)優(yōu)異，有效解決了調(diào)質(zhì)鋼在長螺栓熱處理過程中的難題，具有重要的推廣價值，廣泛應(yīng)用于U型螺栓、球銷、長螺桿等，如圖2所示。我國非調(diào)質(zhì)緊固件技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代，形成了MFT8、MFT9、MFTl03個牌號。日本鋼企開發(fā)的非調(diào)質(zhì)鋼緊固件牌號見表1，高強產(chǎn)品涵蓋了900～1200MPa一系列級別。

3、高強度緊固件鋼關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

3.1　成分設(shè)計研究

高強度緊固件成分設(shè)計取決于產(chǎn)品的熱處理方式、抗延遲性能及產(chǎn)品性能，一般10.9級產(chǎn)品選用中碳Cr鋼、CrMo鋼，為降低成本，近年來，CrB鋼和MnB鋼被廣泛應(yīng)用于高強度緊固件的制造中。合金元素Cr和Mo在這些鋼材中扮演了重要角色，其主要功能包括：首先，提高鋼的淬透性，使得鋼材在熱處理過程中能夠獲得更好的硬度和強度；其次，提升高溫強度和蠕變強度，確保高強度緊固件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性；第三，增強抗腐蝕性和抗氧化性，提高緊固件在惡劣環(huán)境中的使用壽命；第四，改善抗磨粒和摩擦磨損性能，提升使用過程中的耐久性；最后，提高奧氏體粗化溫度，確保在高溫條件下鋼材的組織穩(wěn)定性。

針對高碳硬線緊固件鋼，研究者馮運莉等[20]發(fā)現(xiàn)，加入Cr合金元素能夠優(yōu)化鋼材的微觀組織，減少鐵素體的形成，增加索氏體的含量，從而顯著提升抗拉強度，增加75～100MPa，同時斷面收縮率也提高了約2%。Mo作為高強度緊固件的主要強化元素，對合金鋼的強度提升效果顯著?；菪l(wèi)軍等研究指出，Mo元素在原奧氏體晶界的偏聚能夠增強合金鋼的晶界結(jié)合強度，提高鋼材的回火抗力及耐延遲斷裂性能。早期研究認(rèn)為，當(dāng)w[Mo]超過1.15%時，鋼的耐延遲斷裂性能不會再提高[21]。然而，來自日本久保田公司

的專利顯示，2010年他們成功研發(fā)出1800MPa級的馬氏體型超高強螺栓，其中，w[C]約為0.40%，而w[Mo]高達(dá)3%～10%，其抗延遲斷裂性能甚至優(yōu)于35CrMo鋼[22]。另在合金化方面，Ni元素能夠顯著提升合金鋼的力學(xué)性能，但由于其成本較高，通常需要控制在較低水平。研究表明[23]，當(dāng)Ni含量過高時，會導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，從而增加孿晶馬氏體和殘余奧氏體的含量，這些殘余相會降低合金鋼的屈服強度。此外，馮春雨等的研究表明[24]，微量w[B]≥0.005%的加入能顯著提高合金鋼的淬透性，其效果優(yōu)于鉻、錳等傳統(tǒng)合金元素。

為了進(jìn)一步提升抗延遲斷裂性能，研究者們通過添加細(xì)化晶粒元素和碳化物形成元素，同時，降低晶界元素的含量，來改善鋼的性能。楊作宏等[25]指出，Nb的加入能夠有效阻止奧氏體晶粒的長大，從而提高合金鋼的粗化溫度。V作為理想的沉淀強化元素，能夠提高奧氏體的粗化溫度，R·CCochrance等[26]研究發(fā)現(xiàn)，V促進(jìn)晶粒細(xì)化，同時增加淬透性和回火穩(wěn)定性，并形成明顯的二次硬化效果。惠衛(wèi)軍等[27]的研究也表明，V的加入能夠提升合金鋼的回火抗力，細(xì)化奧氏體晶粒，并形成VC氫陷阱。此外，適量的Ti元素也能顯著改善合金鋼的耐延遲斷裂性能[28]，但過量的Ti會形成夾雜物Ti（C，N），影響鋼的整體性能。HasegawaT等[29]的研究結(jié)果與惠衛(wèi)軍的結(jié)論相似，表明，w[Ti]的最佳加入量應(yīng)控制在0.03%～0.06%。最后，研究結(jié)果表明，鋼中P、S含量較高時，會在晶粒邊界偏析，降低抗延遲斷裂性能。通過降低鋼中P、S的含量，減少晶界偏析，可以顯著提升高強度緊固件鋼的綜合性能。因此，優(yōu)化合金成分和控制雜質(zhì)元素的含量，是提高高強度緊固件鋼性能的重要途徑。通過這些研究，可為未來高強度緊固件的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。日本鋼企與國內(nèi)設(shè)計的高強度緊固件鋼牌號化學(xué)成分見表2。

3.2　純凈度控制研究

夾雜物的存在割裂了金屬的連續(xù)性，剝落后就成為凹坑或裂紋，在冷鐓成形時極易形成裂紋源，熱處理時易造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生淬火裂紋，影響金屬的力學(xué)性能、加工性能和耐蝕性能，高強度緊同件對夾雜物應(yīng)嚴(yán)格控制。為減輕夾雜物帶來的危害，需要嚴(yán)格管理和控制爐料準(zhǔn)備、冶煉操作。通過選用優(yōu)質(zhì)原料并提前預(yù)判有害元素，采取針對性措施可顯著減少雜質(zhì)含量；在冶煉過程中，選用優(yōu)質(zhì)耐材，采用合適的精煉渣及工藝措施，大幅提升鋼液純凈度；在連鑄過程中，通過中間包冶金、結(jié)晶器冶金等技術(shù)，進(jìn)一步減少夾雜含量。非金屬夾雜物在鋼中主要以氧化物、硫化物和點狀不變形夾雜存在，根據(jù)GB/T10561—2023標(biāo)準(zhǔn)A法進(jìn)行評級。但GB／T6478—2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》對夾雜物未做明確要求，而是根據(jù)需方要求協(xié)商，并在合同中注明，鋼材才進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗。目前，國內(nèi)外緊固件制造單位，對高強度緊固件鋼均提出了明確的要求，按GB/T10561—2023最嚴(yán)重視場法，合格級別見表3。夾雜物的嚴(yán)格要求，對實現(xiàn)緊固件的高疲勞、高強度、高穩(wěn)定性非常有益。

3.3　抗氫至延遲斷裂研究

隨著螺栓強度等級的提升，雖然能夠帶來更高的承載效益，但與此同時，氫致延遲斷裂的風(fēng)險也顯著增加，尤其是在抗拉強度超過1200MPa時，材料的氫敏感性更加突出[13，29-30]。氫致延遲斷裂具有延遲性、突發(fā)性和不可逆的特征，通常表現(xiàn)為批次性發(fā)生，對結(jié)構(gòu)的安全性造成較大威脅。氫脆的機(jī)理極為復(fù)雜，其斷裂現(xiàn)象也多種多樣，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界提出了多種氫脆理論，包括位錯釘軋理論、晶界聚集理論、氫氣泡理論和脆化相理論等。因此，如何提高高強度螺栓的抗延遲斷裂能力，成為近年來研究的熱點之一。

研究表明，并非所有的氫都是有害的。根據(jù)氫與材料的結(jié)合能（Ea）高低，氫陷阱可以分為可逆和不可逆兩類?？赡鏆湎葳鍟偈箽湎驊?yīng)力集中處擴(kuò)散并富集，從而增加延遲斷裂的敏感性，這種情況是有害的。相對而言，均勻分布的非可逆氫陷阱能夠提高鋼材的耐延遲斷裂性能。通過在鋼中引入更多的氫陷阱，是解決延遲斷裂問題的有效途徑[15-16]。

在高強度鋼中，氫致延遲斷裂主要是由可逆陷阱中的擴(kuò)散氫引起的。氫陷阱不僅包括碳化物粒子，還涉及多種晶粒缺陷，如空位、位錯、晶界、碳/氮化合物（夾雜物）以及相界等。這些不同類型的氫陷阱在材料中發(fā)揮著不同的作用，且在材料變形過程中，由于各相組織的改變和晶體缺陷密度的增加，氫的運動過程變得更加復(fù)雜[31]。

因此，研究者們正在探索如何優(yōu)化鋼材的微觀結(jié)構(gòu)，以增強其抗氫脆能力。通過控制合金元素的添加和熱處理工藝，可以有效地調(diào)整氫陷阱的分布和類型，從而提高材料的整體性能。此外，開發(fā)新型的氫陷阱材料以及改進(jìn)現(xiàn)有材料的氫擴(kuò)散特性，也是當(dāng)前研究的重點方向。

綜上所述，提升高強度螺栓的抗延遲斷裂能力不僅需要深入理解氫脆的機(jī)理，還需通過材料設(shè)計和工藝優(yōu)化來實現(xiàn)。這一領(lǐng)域的研究將為高強度緊固件的安全應(yīng)用提供重要的理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo)。表4列出了不同氫陷阱結(jié)合能Ea和升溫速率的數(shù)據(jù)[16，32]，其中碳化物作為氫陷阱的能力與其分布、形態(tài)及尺寸有關(guān)。綜合以上信息，改善高強度緊固件鋼耐延遲斷裂性能關(guān)鍵技術(shù)及措施見表5。

下面重點介紹組織控制對抗延遲斷裂的研究

1）下貝氏體組織控制：高強度螺栓在熱處理過程中采用合適的熱處理工藝尤為重要，它不僅可以改善螺栓的顯微組織，還可以降低螺栓對氫脆的敏感性。研究表明，顯著的氫脆特征主要源于應(yīng)變過程中殘余奧氏體發(fā)生的馬氏體轉(zhuǎn)變，貝氏體對氫脆不敏感。如果采用等溫處理代替淬火+回火，可以得到氫脆敏感性小于回火馬氏體的下貝氏體組織。圖3為高強度貝氏體型螺栓，在36%鹽酸溶液中10次酸浸后利用慢應(yīng)變拉伸試驗，評價氫脆敏感性結(jié)果，可以看出，貝氏體型螺栓強度達(dá)到1500MPa時，還略低于傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)工藝10.9級敏 感性。

2）索氏體組織控制：神戶制鋼在本田03MAccord發(fā)動機(jī)螺栓開發(fā)過程中，充分利用高碳鋼盤條冷加工硬化、包辛格效應(yīng)、新冷鐓模設(shè)計及應(yīng)力松弛現(xiàn)象等，成功開發(fā)出1600MPa級緊固件鋼。該鋼接近100%珠光體組織，富松等在珠光體絲表面做聚焦離子束加工，鋼絲由平行于拉絲方向的鐵素體（α）相和滲碳體（θ）相構(gòu)成，制備了相對于α/θ界面不同方向的帶缺口懸臂梁試樣。然后，在電解充氫下實施了壓頭壓入彎曲試驗[15]，試驗結(jié)果如圖4所示，研究表明，對氫脆弱的α/θ界面與拉伸軸平行，拉絲珠光體鋼在拉絲方向上具有出色的抗氫脆性[33]。目前珠光體鋼冷加工后強度已超過3000MPa，對超高強緊固件制造是選擇之一。

3.4　高強度緊固件鋼制造技術(shù)

緊固件鋼的性能對螺栓的生產(chǎn)和性能有著重要影響，因此，研究高強度螺栓的母材具有重要的意義和研究價值。目前，國內(nèi)多家企業(yè)如興澄特鋼、寶鋼和青鋼等，均已具備生產(chǎn)高強度冷鐓盤條的能力。興澄特鋼采用390mm×510mm的超大斷面連鑄坯，而寶鋼則通過320mm×425mm的連鑄坯或模鑄工藝來制造高強度螺栓鋼。為確保鑄坯的質(zhì)量，興澄特鋼引入了高潔凈冶煉、低過熱度澆鑄、結(jié)晶器電磁攪拌、凝固末端電磁攪拌和輕壓下等先進(jìn)技術(shù)。

高強度螺栓用冷鐓鋼的生產(chǎn)工藝流程包括初軋機(jī)、火焰清理和連軋開坯等多個環(huán)節(jié)。在這一過程中，中間坯料經(jīng)過拋丸處理、超聲波探傷、紅外檢測、修磨以及高線軋制（配備測徑儀和在線影像探傷儀），最終完成精線加工。這一系列嚴(yán)格的工藝控制，不僅提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，也降低了缺陷率。

通過上述工藝技術(shù)生產(chǎn)的Cr（Ni）Mo（V）系列高強度冷鐓鋼，代表了國內(nèi)的最高水平。這些鋼材的主要特點包括成分穩(wěn)定且波動小、有害成分（如P、S、H）含量低、夾雜物含量少、脫碳現(xiàn)象輕微、表面質(zhì)量良好、偏析程度低以及淬透性優(yōu)良。此外，盤條的冷鐓開裂率也顯著降低，為高強度螺栓的應(yīng)用提供了可靠保障。興澄開發(fā)的高端緊固件鋼已成功應(yīng)用于燃油車發(fā)動機(jī)5大關(guān)鍵部件和新能源車電池包、防撞梁等核心部位及高鐵、橋梁等重大裝備和工程領(lǐng)域。

此外，在盤條軋制過程中蘇世懷等[34]，利用形變誘導(dǎo)相變機(jī)制，通過控軋控冷，實現(xiàn)了在線獲得球狀滲碳體組織，解決了困擾非調(diào)質(zhì)冷鐓鋼應(yīng)用的形變位錯穩(wěn)定化、冷加工性等難題，開發(fā)出在線球化或退化中碳冷鐓鋼和軟質(zhì)化合金冷鐓鋼等系列產(chǎn)品，盤條的在線控軋控冷技術(shù)，可縮短球化退火時間，部分緊固件產(chǎn)品滿足直接拉拔，具有良好的應(yīng)用前景。隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，行業(yè)內(nèi)積極開展氫冶金探索，增加廢鋼使用量，減少CO2排放。這一轉(zhuǎn)型不僅符合國家的環(huán)保政策，也為高強度螺栓的生產(chǎn)提供了新的思路。

綜上所述，高強度緊固件鋼的研究與應(yīng)用對螺栓的生產(chǎn)和性能至關(guān)重要。國內(nèi)企業(yè)如興澄特鋼、寶鋼等通過超大斷面連鑄坯或模鑄工藝，坯料經(jīng)過嚴(yán)格的表面處理、超聲波探傷和控軋控冷等技術(shù)措施，顯著提升了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了缺陷率，確保了高強緊固件鋼的高質(zhì)量。

在合金成分設(shè)計方面，Cr、Mo等元素的加入提升了鋼材的淬透性和抗腐蝕性，改善了抗延遲斷裂性能。研究表明，通過微量B、Nb和V的添加也能有效提高鋼材的性能。此外，夾雜物的控制對高強度緊固件的性能至關(guān)重要，需嚴(yán)格管理冶煉過程以減少雜質(zhì)含量。隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，行業(yè)內(nèi)積極探索氫冶金技術(shù)，增加廢鋼使用量，減少CO₂排放，這為高強度螺栓的綠色化發(fā)展提供了新的思路。通過以上技術(shù)研究與應(yīng)用，國內(nèi)高強度緊固件鋼的制造水平不斷提升，為產(chǎn)業(yè)升級指明了方向。

4、展望

隨著新能源環(huán)保技術(shù)裝備、大型軌道交通裝備及工程、航空航天設(shè)備等高端制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高強度緊固件鋼作為螺栓制造的重要材料，其性能和質(zhì)量直接關(guān)系到緊固件的使用效果和安全性，超高強度緊固件鋼的發(fā)展前景廣闊，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）材料研發(fā)：隨著鋼鐵材料基因工程的研究深入和冶金技術(shù)的進(jìn)步，超高強度緊固件鋼的成分和微觀結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步優(yōu)化，以提高其強度、韌性和耐腐蝕性。低氫脆敏感高強度貝氏體鋼快速發(fā)展和應(yīng)用，緊固件工程應(yīng)用強度級別將突破16.8級。

（2）生產(chǎn)工藝：先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，如控軋控冷技術(shù)和在線韌化處理技術(shù)，低氫含量控制技術(shù)及超純凈控制技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于超高強度緊固件鋼的制造，以提升其性能和降低生產(chǎn)成本。高強緊固件鋼中w[H]低于1×10-6，有害夾雜物尺寸進(jìn)一步縮小，以實現(xiàn)優(yōu)良的綜合疲勞性能。

（3）環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展：在全球?qū)Νh(huán)保要求日益嚴(yán)格的背景下，超高強度緊固件鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用將更加注重資源的節(jié)約和環(huán)境的保護(hù)，發(fā)展綠色制造技術(shù)將成為重要趨勢。電爐鋼冶煉及氫冶金品種占比大幅提升。

（4）智能化與數(shù)字化：隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，智能制造和數(shù)字化技術(shù)將在超高強度緊固件鋼的生產(chǎn)、檢測和管理中發(fā)揮越來越重要的作用，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。鋼中成分控制更精確，主元素波動范圍應(yīng)達(dá)到w[C]±0.01%，w[Si]±0.02%，w[Mn]±0.02%，w[Mo]±0.01%，滿足緊固件行業(yè)智能化發(fā)展并實現(xiàn)緊固件性能穩(wěn)定。

綜上所述，高強度緊固件鋼的發(fā)展前景廣闊，未來將朝著高性能、低成本、環(huán)保和智能化的方向發(fā)展。

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