扣件机械性质与强度分级..doc

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扣件机械性质与强度分级.

扣件的機械性質與強度分級 廖光磊 摘 要   扣件的機械性質為扣件承受荷重或外力之反應,對外螺紋扣件(螺絲、螺栓、螺樁)來說主要的機械性質是抗拉強度、降伏強度、硬度、延展性、韌性等,對內螺紋扣件(螺帽)來說主要的機械性質是硬度、保證荷重等。皆可依製造方法及治金處理之不同而有明顯的變化,除了原料需正確選擇外,還需要良好的製造程序及製造後處理,才能獲得扣件最佳的機械性質。 因此扣件的機械性質與其設計製造有密切關連,同時也會影響使用的安全性及可靠性,故有必要了解扣件的機械性質與相關的強度分級。了解扣件的機械性質,試驗方法、強度分級及規範要求,有助於材料選用,扣件製程及品質的控制。ISO、SAE及ASTM規範皆要求具有強度等級的扣件必須有等級及製造商的標示,俾便識別及追溯。本文探討扣件主要的機械性質、試驗方法及公英制規範的強度分級系統,以利實務應用。 一、前言 扣件由原料製造成成品的過程中有三個重要的特性即是物理性質(物性)、機械性質與性能,這三個特性關係到扣件能否符合使用上的要求。物性是原料固有的性質,始終保持不變或僅有些微改變,例如密度、熱膨脹係數、電阻、熱傳性、感磁性等皆有其重要性,能涉及扣件材料的選用。機械性質為扣件承受荷重或外力之反應,扣件的機械性質很少與原料之機械性質相同,例如抗拉強度、降伏強度、硬度、延展性等,皆可依製造方法及治金處理之不同而有明顯的變化,除了原料需正確選擇外,還需要良好的製造程序及製造後處理,才能獲得扣件最佳的機械性質。性能為扣件設計時所預期可滿足使用要求的功能,例如鎖緊能力、預置扭力、密封性及轉動扭矩等,通常可藉由製造時適當的尺寸控制而達到,且原料的選擇及治金處理也會有影響。 對扣件產業而言,其中最重要的便是機械性質,其次是物理性質,扣件之所以普遍採用金屬材料製造,理由不外是因為金屬材料的機械性質優秀且又有耐久性的緣故。扣件的性能及耐久性雖然視其設計及製造之良劣而定,但是選用的材料是否適當也有很大的關係,選用材料時必須考究材料的機械性質能否滿足需求,所以扣件的設計、製造及使用者應明瞭金屬材料的機械性質。 機械性質通常與強度有關,大多數金屬扣件強度的分級已標準化且有一系列的規範詳加定義,例如ASTM、SAE、ISOIFI等規範,機械性質的測試程序也已標準化,例如ASTM F606。 ,,klbf (450 kN)以下的外螺紋扣件很實用,大部份的製造商皆有拉伸測試設備,大於此強度的扣件則需要製成縮小尺寸的試片且是從需要測試的扣件車製而成。ASTM F606有規定試片的尺寸,必須的夾具及承受應力區域的螺紋長度。若拉伸測試的螺紋長度小於扣件標稱直徑的2.25倍時,則不適於執行拉伸測試,尺寸較短的扣件可允許僅作硬度測試。 六角、六角凸緣及內六角螺絲、螺栓必須執行墊楔拉伸測試,其餘外螺紋扣件則執行全尺寸拉伸測試。兩者不同點在於墊楔拉伸測試時有一盆形硬化墊圈置放於被測扣件的頭部下方,當施加拉伸負荷時,墊楔會產生一個極大的彎曲應力集中於扣件頭部與桿部連接處,扣件必須能承受規範所要求之最小抗拉強度,且斷裂要發生在桿部或螺紋部份,不可斷在頭部與桿部連接處。墊楔的角度依扣件尺寸、強度等級,頭部型式及螺紋至頭下距離區分為4°、6°°等三種。 降伏強度是扣件發生永久變形時所承受的拉力,意即材料所受應力超過其彈性限而進入塑性區,是造成非常小的塑性變形所需之應力。經由車製而成的試片因在受應力部份有相同之截面積,,(Rockwell)、(Brinell)或維氏(Vickers)表示,洛氏有多種尺度而勃氏及維氏僅有一種尺度,ASTM A370及SAE J417有鋼鐵硬度轉換及與抗拉強度之對照表。大多數的強度等級扣件規範皆有母材金屬硬度範圍的規定,最小硬度對照到最小抗拉強度,但若超過最大硬度時表示扣件可能過脆或易發生氫脆而不被允許。 例行性的外螺紋扣件硬度試驗,硬度量測的部位在扣件的頭部、底部或本體,而若為仲裁目的之硬度試驗,量測部位則在扣件底端算起一個直徑的螺紋距離之橫截面半徑中心處。對於淬火及回火的鋼扣件,硬度量測的部位在螺紋表面以利與熱處理前之母材金屬表面硬度比較,若表面硬度明顯較低即表示有脫碳現象,而此脫碳現象是由熱處理因素造成表皮較軟,若表面硬度較高即表示極可能有滲碳現象,所以表面比內層金屬較硬,因而也較脆,上述脫碳與滲碳的兩種現象皆是影響扣件機械性質的缺陷,可能形成使用中的潛在風險。 例行性的內螺紋扣件硬度試驗,硬度量測的部位在扣件承面或對邊,若以硬度為鑑別允收時,作為仲裁目的之硬度試驗,螺帽硬度應在螺帽高度的一半位置橫切,熱處理螺帽須量測對角線心部、接近螺紋處及孔徑處等兩組三個讀值,而未熱處理螺僅須量測二個對角線心部讀值,其所有量測值的平均值即為扣件的硬度。通常保證荷重小於120 klbf的螺帽可以執行

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