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摘要：紧固件材料经过热处理后会改变内部组织结构，以此有效提升其使用性能、结构寿命。本文对实际生产中典型紧固件材料钛合金、高温合金、铝合金、合金钢进行了热处理后合格金相组织与缺陷组织的分析汇总。对研究材料组织与性能、优化热处理工艺参数及提升产品质量具有指导意义。
关键词：紧固件；热处理状态；组织
紧固件是应用广泛的连接用机械零件，90%以上的紧固件都使用金属材料，每种材料都具有其特有性能属性。若想得到性能优良的紧固件，一般材料会经过热处理优化。热处理是研究金属材料性能成分组织之间关系最常用的工艺方法，它可有效改变零件内部组织结构，让紧固件产品获得更优异的使用性能，达到高的质量和使用寿命[1]。实际生产中不同热处理制度下材料的组织改变最明显，在工艺参数变化不大的范围内，组织可能由合格变为不达标，所以分辨清晰合格的材料组织对提升紧固件性能、热处理工艺优化及产品质量提升具有指导意义。
一 钛合金组织分析
钛合金具有低密度、高比强度、耐高温、抗腐蚀等优异的综合性能，是紧固件领域的最主要材料之一。最常用的为α、α+β型，在室温稳定状态由α相及β相所组成，β相占比10%~50%。可热处理强化。TC4（Ti-6Al-4V）、TC16在国内紧固件行业应用最广泛。可以在退火状态下使用，也可经固溶时效强化后使用。
（一）合格组织
a图退火态组织为白色等轴初生α相+少量晶间β相（等轴组织）。b图固溶处理会得到马氏体型α’相，次生针状α相、并含有少量残留的β相；时效过程中α’相和β相都分解成α+β相，故最终组织为等轴初生α相+含针状α相的β转变基体（双态组织）。
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（二）缺陷组织
钛合金在热处理过程中，最常见的组织缺陷情况为表面污染、过热及过烧。a图为钛合金热处理后组织表面被氧化或受污染，表现为α相层密集分布，变为硬脆相，影响使用性能。针对紧固件而言，若出现b图网篮组织则为过热状态。网篮组织为变形的β转变基体+板条状α相，有断续晶界α、或连续晶界α、或有大块α，不含有等轴α相。
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二 高温合金组织分析
高温合金有优异的高温强度，抗氧化及耐高温腐蚀的能力，分为铁基、镍基和钴基三种，使用和研究最多的是镍基合金，其次是铁基合金。高温合金分固溶强化型和时效强化型，其金相显微组织均为典型的奥氏体晶粒组织，需评定晶粒度级别。
（一）合格组织
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a图为高温合金并固溶时效组织，可看到明显的奥氏体晶界，晶粒大小分布均匀。γ奥氏体基体上分布着均匀弥散的球状γ’相及TiN、TiC，晶界有微量的M3B2等合金相，γ’相是主要强化相[2]，有时晶内会出现形变孪晶。
（二）缺陷组织
高温合金组织异常情况主要为发生过热、过烧，b图为固溶态A286合金螺母在热镦过程中出现的过热现象，组织不均匀，过热部分晶界不明显，奥氏体晶粒异常长大。
三 铝合金组织分析
铝合金密度小、塑性好、良好的抗疲劳性能，目前飞机上的用量约占60%~80%。紧固件行业使用最多的为硬铝和超硬铝，产品集中在铆钉和螺母这两类。
硬铝属于Al-Cu-Mg、Al-Cu-Mn系合金，具有强烈的热处理时效强化能力，主要组元铜、镁在固溶处理后溶于铝固溶体中呈饱和状态，经过沉淀硬化处理，抗拉强度明显提高。超硬铝是在Al-Cu-Mg系的基础上加入锌的一类铝合金，可热处理强化。紧固件行业常用的超硬铝牌号是以锌为主要元素的7XXX系铝合金[3]。
（一）合格组织
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a图2A12的退火态组织为α固溶体上析出大量的S（Al2CuMg）、θ（Al2Cu）强化相及一些杂质相[4]。这些相因挤压延伸而被破碎，因而Mg2Si和黑色杂质相不易区分。b图中2A12的固溶时效后纵向组织，已完全再结晶，晶粒沿压挤方向伸长，α固溶体上分布着不溶化合物，少量白色残留可溶相θ（Al2Cu）呈圆角状存在。
（二）缺陷组织
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硬铝和超硬铝缺陷情况均为过热、过烧，图a为7075固溶后温度过高引起组织中心出现大量的复熔球，晶界清晰，晶粒粗大，强化相在高温下固溶充分，α固溶体上分布着不溶杂质相。过烧严重后会如图b所示，有沿晶复熔、开裂和空洞，并可看到亚晶界。此显微组织力学性能极低，不可挽救，只能作废。
四 结构钢组织分析
结构钢在紧固件行业的使用也非常广泛，冷镦以及冷挤压专用的碳钢、合金钢一般称为铆螺钢。热处理为正火、退火以及淬火+回火。
（一）合格组织
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图a为30CrMnSi正火后的组织，白色块状铁素体和黑色块状分布的片状珠光体（同退火）。图b为30CrMnSi调质处理后组织，基体为保持马氏体位向的回火索氏体，分布的白色小颗粒为碳化物。
（二）缺陷组织
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图a为30CrMnSi退火不当出现的脱碳组织，材料表层为脱碳层，白色组织为铁素体。脱碳会造成紧固件整体强度降低，易于在表面产生裂纹。图b为45钢在淬火后出现的裂纹，基体为保持马氏体位向的回火索氏体。当原材料内应力大、成分有偏析或淬火时冷却不当，会使淬火时组织转变产生较大内应力，出现淬火裂纹[5]。
五 结论
不同紧固件材料热处理后呈现出的组织形态有很大区别，文中实际生产中紧固件的金相组织分析汇总有助于制造加工时精确辨认产品质量问题、及时对缺陷组织调整处理。
参考文献：
[1] 闫仕品.金属材料热处理工艺在机械制造中的应用[J].大众标准化，2019（18）：128-129.
[2] 中国航空材料编辑委员会．中国航空材料手册：第2卷变形高温合金铸造高温合金[M]．北京：中国标准出版社，2002：93.
[3] 胡隆伟，叶文君等.紧固件材料手册[M]．北京：中国宇航出版社，2014.
[4] 李炯辉，林德成.金属材料金相图谱[M]．北京：机械工业出版社，2006.
[5] 陶春虎.紧固件的失效分析及其预防[M].北京：航空工业出版社，2013.