扣件机械性质与强度分级

1、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

2、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

3、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

4、一系列的規範詳加定義，例如ASTM、SAE、ISO及IFI等規範，機械性質的測試程序也已標準化，例如ASTM F606。二、抗拉強度、降伏強度抗拉強度是扣件承受一個拉伸負荷於斷裂前或斷裂時的最大荷重，亦即破壞前所能忍受的最大應力。抗拉強度與降伏強度及保證荷重皆以應力表示，英制為磅平方英吋(psi)，公制為MPa，要轉換成荷重可將應力乘以螺紋應力面積。外螺紋扣件執行全尺寸拉伸測試最能符合需求，尤其是抗拉強度100 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

5、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°及10°等三種。降伏

6、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，所以容易獲得降伏強度，然而試片的降伏強度並不同於全尺寸扣件的降伏強度，因為當試片由母材車製時無法獲得冷作之益處，而且因為在螺紋部位、螺紋磨損處及無螺紋之頸部的應變速率不同，故要測試全尺寸外螺紋扣件之降伏強度非常困難。降伏強度通常是利用橫距法求得，即從應力應變曲線上0.2%應變處作一與彈性線平行的直線，此直線與應力應變曲線的交點所對應的應力就是降伏強度。此方法必須使用伸長計夾持於試片上以量測受力時之應變，某些材料的應力應變曲線上有明顥的

7、降伏點例如碳鋼扣件，其降伏強度可以直接讀取，故不必利用橫距法求得也不必使用伸長計，但無明顯降伏點的材料如合金鋼及不銹鋼扣件則須使用伸長計及橫距法求得，尤其拉伸試驗前試件的材質未知時仍需要先裝置伸長計才能獲得降伏強度。三、硬度硬度是材料抵抗磨耗及壓痕能力之量測值，即材料對於塑性變形的抵抗能力，由於硬度可用以推測扣件之機械性質且試驗非常簡單快速，也不會造成材料破壞，所以一直是規範要求的重要項目。鋼扣件的硬度與抗拉強度之間有密切關連，而非鐵金屬及不銹鋼扣件的情況也類似，惟關係不如鋼扣件般的準確。扣件硬度通常以洛氏(Rockwell)、勃氏(Brinell)或維氏(Vickers)表示，洛氏有多種尺度

8、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

9、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的螺帽可以執行保證荷重試驗，但更高強度的螺帽高過一般拉伸試驗機之能力時，必須執行硬度試驗以決定是否允收？強度等級螺帽規範要求所有尺寸之等級及分類的螺帽須經硬度試驗，以確保硬度未超過最

10、大規格值，此對需適當熱處理以控制潛在脆性的螺帽非常重要。四、保證荷重、圓錐保證荷重螺帽最重要的機械性質是保證荷重，即向螺帽施加一個軸向荷重（拉伸或壓縮），該螺帽匹配了一個硬化螺桿或試驗螺栓，螺帽必須可以承受且無螺紋剝落或內壁破裂，此外移去保證荷重後，螺帽須能輕易從試驗螺栓或螺桿旋下，通常用手即可將螺帽旋出，必要時以扳手輔助以不超過半圈為合格，匹配的螺桿或螺栓其降伏強度應超過螺帽的保證荷重，才不致造成測試時先螺帽損壞。測試結果顯示當施加的軸向荷重達到螺紋剝落荷重的95%時，即發生螺紋變形。在強度等級螺帽規範中，保證荷重常以保證應力表示，英制為psi，公制為MPa，保證應力乘以螺紋應力面積即為保證

11、荷重，螺帽的保證荷重與外螺紋扣件的保證荷重基本上兩者並無關連。圓錐保證荷重亦是向螺帽施加一個軸向荷重，該螺帽匹配了一個120°硬化圓錐墊圈及硬化螺桿，螺帽必須可以承受且無螺紋剝落或內壁破裂，此120°圓錐墊圈的目的是螺帽受到軸向應力時，在螺帽內壁產生一個明顯的擴張力，如果試驗中途發生螺帽失效時，通常顯示螺帽因拉扯發生斷裂而非螺紋剝落而已。ASTM A194是高溫高壓碳鋼及合金鋼螺帽產品規範，其中有螺帽圓錐保證荷重試驗的表面缺陷判定基準，用以驗證螺帽的表面缺陷是否會影響使用的性能？圓錐保證荷重乘以10.3D（英制）或10.12D（公制）可以換算成應力，D是螺帽公稱直徑，雖然圓

12、錐保證荷重試驗並非螺帽允收判定的唯一方式，但卻是目前已發展出來的最適螺帽試驗方法。五、延展性、韌性延展性是表示在不破壞的範圍之內，材料能發生之久變形的能力，即材料斷裂前的變形能力，例如橡皮筋之延展性很好，但玻璃的延展性就很差。延展性可由車製成之試片於承受拉伸荷重時，量測其伸長率及斷面縮率而得，然而於測試一全尺寸的外螺紋扣件時，其降伏點及最終斷裂點通常發生在螺紋長度之部位，而螺紋部位之伸長率及斷面縮率的量測非常不切實際，故上述之伸長率及斷面縮率變得不具意義。延展性是否良好較具意義的指標是外螺紋扣件的墊楔拉伸測試結果顯示達到最大抗拉強度時，其硬度亦未超過最大規範值。扣件延展性之合理表示應是最小降伏

13、強度的規範值與相對最小抗拉強度的比值，比值小時，延展性較好，反之則延展性較差。韌性是材料吸收衝擊及振動負荷的能力，即材料能吸收能量的能力，韌性的量測值為衝擊強度，即使用一衝擊試片在承受衝擊時所吸收的能量。非航太工業用途的扣件規範很少要求扣件須執行衝擊試驗，只有ASTM A320所敘述使用於低溫環境的合金鋼螺栓才有需要作衝擊試驗。試驗方法為使用V型凹槽試片水平置放於兩個承座間，然後利用擺錘從凹槽的背面施以衝擊力，試驗的要求亦可參考ASTM E23，若採用ISO的方法則是使用U型凹槽試片。六、抗剪強度、抗扭強度、疲勞強度抗剪強度是扣件斷裂前可承受與扣件軸向垂直之最大負荷。單剪力指發生於一個橫斷面可

14、將扣件切斷成兩部份的負荷。而雙剪力則是發生於兩個橫斷面可將扣件切斷成三個部份的負荷。航太扣件規範常要求扣件須作抗剪強度試驗，而一般工業用扣件除了變速箱的塔形螺栓及拉釘外幾乎都不要求。用於拉釘的抗剪試驗方法是使單剪力夾具，而用於螺栓抗剪試驗的則常使用雙剪力夾具，外螺紋扣件單剪力試驗可參考ASTM F606。雙剪力試驗因試驗的夾具設計不同時會對試驗結果有很大的影響，所以當有需要作此項試驗時，買賣雙方最好先約定試驗方法，目前僅有MIL-STD-1312-13有扣件雙剪力試驗之規定。依據實驗結果顯示，扣件抗剪強度可以假定為規範所規定之最小抗拉強度的60%，例如一個SAE 5級的六角螺栓之最小抗拉強度規

15、範值為120ksi時，其抗剪強度在設計時可以很大膽假定為72ksi左右。當剪力面發生的位置通過螺栓本體，則剪力面積使用螺栓的標準直徑來計算，若剪力面僅通過螺紋，則剪力面積為螺紋根部面積。抗扭強度為一個扣件被扭斷時所承受的負荷，通常以扭矩表示，自攻螺絲及ASTM F738所敘述之不銹鋼公制機械螺絲是唯一被要求抗扭強度的工業螺絲。當執行抗扭試驗時，螺絲的夾持部位在螺紋長度內以防止轉動，同時需有二個螺紋露於夾具上方，使用扭力扳手將螺絲頭旋緊，當達到規範所規定的扭矩而螺絲頭仍未斷裂者即為合格，SAE J174及MIL-STD-1312-15有扣件抗扭試驗的規定。疲勞強度是扣件於斷裂前可承受一定次數之反

16、覆負荷或反覆應力，應力的大小及週期與扣件之斷裂有重要關連。扣件承受單一負荷時，疲勞強度等於靜抗拉強度，當施加之應力減小時，則可於到達疲勞限前承受較多次數之反覆應力。航太扣件通常需要測試其疲勞強度，工業扣件則甚少被要求此項測試，原因是測試困難且費用不貲，更主要的是工業扣件發生疲勞損壞時鮮少是使用環境所導致，NAS 1069有航太扣件拉伸疲勞試驗的規定。七、外螺紋扣件的強度分級ASTM並無一個整合的規範來廣泛敘述扣件的強度分級，但是對於單一級數的要求則有一些個別的規範，主要的規範是A307、A449及A354，這些基本上與SAE 1, 5及8級相似。ASTM規範的優點之一是所包括的扣件尺寸可達4i

17、n，而SAE J429最大僅達in.。ASTM A325及ASTM A490是常會誤用的兩種規範，兩者皆專用於in.的高強度結構螺栓，但未包括膨脹螺栓及馬車螺栓，未包括的這兩種特殊扣件在A449及A354中有相關敘述。A574是No.04in.合金鋼內六角螺絲規範，in.（含）以下者抗拉強度180ksi，較大螺絲的抗拉強度則是170ksi。A687是高強度合金鋼無頭螺栓及螺椿之規範，其製品具有至少150ksi的抗拉強度及良好的低溫衝擊強度。A193是一些適合升溫使用之等級扣件，而A320則是適合低溫使用之等級扣件，兩者皆認可了一些合金鋼等級，大多是奧斯田鐵不銹鋼。在常用之SAE及ASTM強度分

18、級中，所認可最高強度等級的扣件（A574除外）其抗拉強度至少150ksi，雖然也常考量是否需要增加較高強度的材料以擴充此分級，但是基於顧慮到使用上的風險，故遲未實施。例如160ksi抗拉強度以上且硬度40HRC以上的扣件必須特別注意，因依據研究報告顯示，除非製程中非常注重防範措施，否則強度39HRC以上的扣件對應力氫脆有相當高的易受性。抗拉強度越高，其硬度也越高，如此材質分析及熱處理就變得非常重要，航太扣件的機械性質要求較高，故比一般工業扣件在製造上具有較高的專業技術層次。Property class以數字表示，整數位大約是最小抗拉強度(MPa)的，而小數位的大約是最小降伏強度與最小抗拉強度的

19、比值，例如4.6級表示最小抗拉強度為400MPa (4´100)及最小降伏強度為240MPa (0.6´400)。並非所有的等級皆可顯示正確的抗拉強度與降伏強度，但至少給予了一個合理的近似值。在設計公制強度等級的扣件時，通常皆會強烈建議工程師優先考慮10.9級或以下的扣件，因為ISO 898-1與SAE J1199、ASTM F568所認可的12.9級，其硬度已大於39HRC，會有氫脆的風險，在製程上及使用時須特別注意。八、螺帽的強度分級 螺帽的強度是以保證荷重代表，當向螺帽施加一個軸向荷重時，螺帽必須可以承受且無破壞現象，造成螺紋剝落或內壁破裂實際所需要的荷重比保證荷重至

20、少要高5%。 ASTM A563所介紹的英制碳鋼螺帽的強度分級系統最被廣為採用，包括了8種等級，尺寸從1in.。SAE J995只敘述了in.以下的3種常用等級，ASTM A194是高溫螺帽的規範，其中有2種工商用途的等級螺帽。ISO 898-2介紹公制碳鋼螺帽的強度分級，包括了9種等級(Property class)，北美地區常用的僅6種。ASTM A563M也包括此6種等級及其要求，與ISO 898-2所述一致。ASTM A563M的尺寸範圍顯然高於ISO 898-2，ISO 898-2最大僅35mm(M 35)而ASTM A563M最大可達100 mm(M100)，A563M也認可了3種

21、等級螺帽，專用以搭配電鍍螺栓，故螺紋攻的較深，A563M所提供的公制螺帽強度的資料與使用建議在所有規範中最為完整。 A563 A級，SAE 2級與A563M 5級螺帽由低碳鋼製成可再硫化處理，例如AISI 1110易於攻製螺紋。A563 B級，SAE 5級與A563M 04,9,8S級螺帽也可由低碳鋼製成，例如AISI 1018或可再硫化的低碳鋼。然而有時因為螺帽尺寸或螺紋型式，必須施以熱處理以符合規範的強度要求，此時便建議使用中碳鋼來製造例如AISI 1038。A563 D,DH級，SAE 8級與A563M 05,10,10S,12級螺帽皆由中碳鋼製成且經熱處理。A194 2,2H級是重六角

22、螺帽，由0.4%低碳鋼製成例如AISI 1045，2級不需熱處理，但2H級則需熱處理，2H級是目前商業上強度最高的碳鋼螺帽。A563 C3,DH3級，與A563M 8S3,10S3級螺帽由耐候鋼碳鋼製成，其C3, 8S3級不需熱處理，DH3, 10S3級則需熱處理。九、結論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，SAE及ASTM規範皆強制要求公制及英制中碳鋼與合金鋼強度等級的扣件必須有等級標示，只有割溝及槽孔螺絲和5mm以下的扣件例外。美國螺絲品質法(FQA)也明確要求直徑6mm (in.)以上依據統一標準(Consensus standard)

23、製造及熱處理的扣件必須有等級標示，此處的統一標準即包括了SAE、ASTM、ISO、IFI、MIL等規範。此外更重要的要求是所有鋼扣件必須標示製造商，因為要求標示產品的製造商是提供品質保證的方式之一，同時產品追溯性、維修及售後服務等都是製造商應負的責任，所以製商應該採取一切必要的手段以確保產品符合要求，才能維持產品優良形象與市場競爭力。十、誌謝 承蒙東徽企業品保部張喬齡經理、王世昌工程師及常進工業品保部潘哲安經理惠予提供技術諮詢與資料，CNLA秘書處蔡榮一工程師協助審查，使本文得以順利完成，特此誌謝。十一、參考文獻一、工業材料科學，劉國雄、林樹均、李勝隆、鄭晃忠、葉均蔚，全華科技圖書，1996。

24、二、金屬材料，呂璞在、黃振賢，文京圖書，1983。三、What Every Engineer Should Know About Threaded Fasteners, Alexander Blake, Marcel Dekker Inc. 1986。四、Fasteners and Metals, S. Wayne Stiefel, NVLAP, NIST, 1993。五、ASTM F606-02, Standard Test Methods for Determine the Mechanical Properties of Externally and Internally Threade

25、d Fasteners, Washers, and Rivets。六、SAE J429, Mechanical and Material Requirement for Externally Threaded Fasteners, 1999。七、ASTM A194-03, Specification for carbon and Alloy Steel Nuts for Bolts for High-Pressure and High-Temperature Service。八、ASTM A320-03, Specification for Alloy-Steel Bolting Materi

26、als for Low-Temperature Service。九、SAE J417, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, 1983。十、ASTM A370-03, Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products。十一、ASTM A307-02, Specification for Carbon Steel Bolts and Studs, 60000 psi Tensile Strength。十二、ASTM E23-02, Standard

27、Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials。十三、MIL-STD-1312, Fastener Test Methods, 1997。十四、NAS 1069, Tension Fatigue Test Procedure for Aeronautical Fasteners, 1992。十五、ASTM A325-02, Specification for Structural Bolts, Steel, Heat Treated, 120/105 ksi Minimum Tensile Strength。十六、AS