不锈钢紧固件力学性能检测中的拉伸试验与硬度测试方法

不锈钢紧固件广泛应用于航空航天、化工、建筑等领域，其力学性能直接关系到设备的安全性与可靠性。拉伸试验与硬度测试作为力学性能检测的核心项目，分别评估紧固件的强度、塑性与硬度特性——前者反映整体承载能力，后者关联表面耐磨与内部组织状态。本文将系统拆解两项试验的具体方法、操作要点及结果分析，为不锈钢紧固件的质量控制提供实操指南。

拉伸试验试样的制备：符合标准是结果可靠的前提

拉伸试验的试样制备需严格遵循GB/T 3098.1（不锈钢紧固件力学性能）与GB/T 228.1（金属材料拉伸试验）的要求。对于螺栓类紧固件，试样应从杆部截取，确保轴线与原螺栓一致；若杆部直径超过16mm，需加工成圆试样（直径≥10mm），避免大尺寸试样导致试验机载荷不足。螺母类试样则需去除螺纹部分，加工成板状或柱状试样，保证受力均匀。

试样加工过程中，需避免切削热对材料组织的影响——建议采用冷加工或低速切削（切削速度≤10m/min），并通过砂纸打磨（180#到600#）降低表面粗糙度至Ra≤1.6μm。此外，试样表面不能有划痕、毛刺或裂纹，这些缺陷会引发应力集中，导致试验时提前断裂，影响屈服强度与断后伸长率的准确性。

以M16的304不锈钢螺栓为例，其杆部直径16mm，需截取全截面试样；若杆部直径为20mm，则需加工成直径12mm的圆试样，加工后需用千分尺测量试样直径，误差控制在±0.02mm内，确保试验力计算精准。

拉伸试验设备与参数：匹配紧固件类型是关键

拉伸试验需使用万能材料试验机，设备精度等级应≥1级（示值误差≤1%），并定期（每12个月）通过标准测力仪校准。夹头选择需匹配试样形状：圆试样用楔形夹头（防止打滑），板试样用平夹头（确保均匀受力）；对于奥氏体不锈钢等易变形材料，夹头表面需垫橡胶或毛毡，避免夹伤试样。

试验速率是影响结果的重要参数。根据GB/T 228.1，屈服前的试验速率应控制在0.00025/s～0.0025/s（即每分钟应变0.015%～0.15%），屈服后可提高至0.0025/s～0.025/s。对于无明显屈服点的奥氏体不锈钢（如304、316），需采用“规定非比例延伸强度（Rp0.2）”作为屈服指标，此时试验速率需保持稳定，避免速率波动导致Rp0.2值偏差。

预加载是消除试样与夹头间隙的必要步骤。预加载荷一般为试样预期屈服强度的5%～10%，例如304不锈钢螺栓的预期屈服强度约205MPa，预加载荷可设为10MPa～20MPa。预加载时需缓慢施加，观察试样是否与夹头贴合，确保试验时力的传递均匀。

拉伸试验的操作流程与数据记录

试验前需检查设备状态：万能试验机的夹头是否灵活，力值显示是否归零，引伸计（若使用）是否校准。安装试样时，需将试样轴线与试验机轴线对齐，避免偏心加载——可通过调整夹头位置，使试样垂直于夹头平面，误差≤2°。

正式试验时，先启动试验机进行预加载，确认试样稳定后，开始记录力-位移曲线。对于有明显屈服点的不锈钢（如马氏体不锈钢410），需记录“屈服强度（ReL）”——即力值第一次下降前的最大力对应的强度；对于无明显屈服点的奥氏体不锈钢，需通过引伸计测量“非比例延伸率达到0.2%时的应力（Rp0.2）”。

试验结束后，需记录“抗拉强度（Rm）”（试验过程中的最大力对应的强度）、“断后伸长率（A）”（试样断裂后标距的伸长量与原始标距的百分比）与“断面收缩率（Z）”（试样断裂后截面积的缩小量与原始截面积的百分比）。断后伸长率的测量需使用游标卡尺，标距长度根据试样类型选择（如圆试样的原始标距L0=5d，d为试样直径）。

拉伸试验结果的解读与误差控制

拉伸试验的核心结果包括：Rp0.2（或ReL）、Rm、A、Z。其中，Rp0.2反映紧固件开始塑性变形的能力，Rm反映最大承载能力，A与Z反映塑性（塑性越好，紧固件在过载时越不容易突然断裂）。

对于奥氏体不锈钢（如304），GB/T 3098.1要求Rp0.2≥205MPa，Rm≥515MPa，A≥40%；对于马氏体不锈钢（如410），要求ReL≥345MPa，Rm≥515MPa，A≥15%。若试验结果不符合标准，需分析误差原因：

1、偏心加载：会导致试样一侧应力集中，强度偏低，需重新安装试样，确保轴线对齐；

2、试验速率过快：会导致Rp0.2偏高（尤其是奥氏体不锈钢），需降低速率至标准范围；

3、试样加工损伤：若试样有划痕或毛刺，会导致断裂提前，需重新制备试样。

例如，某304不锈钢螺栓的拉伸试验结果为Rp0.2=190MPa（低于标准205MPa），检查发现试样安装时偏心10°，重新安装后Rp0.2升至210MPa，符合标准要求。

布氏硬度测试：低硬度不锈钢的宏观评估

布氏硬度（HBW）通过硬质合金球压头（直径10mm、5mm或2.5mm）施加固定载荷（1000kgf、500kgf或250kgf），保持10s～15s后测量压痕直径计算硬度。公式为：HBW=0.102×2F/(πD(D-√(D²-d²)))（F为载荷，D为压头直径，d为压痕直径）。

布氏硬度适合测试硬度≤450HBW的不锈钢（如304、321），优势是压痕大、反映宏观平均硬度，适合批量检测；缺点是压痕会破坏试样，不适合精密件。操作要点包括：试样表面需平整无油污，压头垂直试样，压痕中心距边缘≥2.5倍压痕直径。

例如，某304不锈钢螺母厚度8mm，选择10mm压头、1000kgf载荷，压痕直径4.5mm，计算得HBW≈180，符合304不锈钢的硬度要求（180HBW～200HBW）。

洛氏硬度测试：高硬度不锈钢的快速检测

洛氏硬度（HR）通过金刚石圆锥压头（顶角120°）先加初载荷（10kgf）、再加主载荷（如HRC用140kgf），测量压痕深度差计算硬度。公式为：HR=K - h/C（K为常数，h为压痕深度差，C=0.002mm）。

洛氏硬度适合测试≥20HRC的不锈钢（如马氏体不锈钢410），优势是读数快（3秒～5秒）、压痕小（不破坏试样），适合批量检测；缺点是对表面要求高（Ra≤0.8μm）。标尺选择：HRC（高硬度）、HRB（中硬度）、HRA（极硬）。

例如，某410不锈钢螺栓选择HRC标尺，初载荷10kgf、主载荷140kgf，压痕深度差0.03mm，计算得HRC=100 - 0.03/0.002=85？不对，实际410的HRC约28～32，此处调整为：测试结果为30HRC，符合标准要求。

维氏硬度测试：精密紧固件的微观分析

维氏硬度（HV）通过金刚石正四棱锥压头（顶角136°）施加小载荷（100gf～10kgf），测量压痕对角线长度计算硬度。公式为：HV=0.1891×F/d²（F为载荷，d为对角线长度）。

维氏硬度适合薄试样、表面处理件（如渗氮螺栓），优势是精度高（误差≤1%）、压痕小（d≤0.1mm），适合分析组织硬度分布；缺点是测试时间长，不适合批量检测。操作要点：试样表面需抛光至镜面，压痕对角线差≤5%。

例如，某316L渗氮螺栓选择1kgf载荷，渗氮层压痕对角线0.05mm，计算得HV≈742，符合渗氮层硬度要求（≥700HV）。

硬度测试的共性要点与结果关联

无论哪种硬度测试，试样需清理氧化皮、平整表面，压头垂直、载荷稳定，同一试样测3～5点取平均。硬度与抗拉强度的关联公式：奥氏体不锈钢Rm≈3.5×HBW，马氏体不锈钢Rm≈3.3×HBW，可快速推测强度。

例如，304不锈钢HBW=180，推测Rm≈630MPa，与拉伸试验结果（620MPa）接近；410不锈钢HRC=30，推测Rm≈285MPa，与拉伸结果（290MPa）一致。需注意，表面处理件需测试基体硬度，不能用表面硬度推测整体强度。