董瀚团队研制成功世界首款19.8级超高强度紧固件

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11月28日，由上海大学材料学院董瀚教授领衔的高性能钢铁材料团队、河北龙凤山铸业有限公司、七丰精工科技股份有限公司、舟山市7412工厂、江苏冶金技术研究院、上海大学（浙江）高端装备基础件材料研究院、上大新材料（泰州）研究院等七家单位经过一年多的联合攻关，研制出世界首款19.8级超高强度紧固件，成为世界最高强度等级的紧固件。公开资料显示，国外目前优势企业的紧固件最高强度级达到了17.8级。我国973项目依据国际发展状况，曾经研制了13.9—15.9级的紧固件材料与紧固件。
        该项目通过“材料生产—紧固件制造—服役评价”全产业链协作，基于钢铁材料高性能化理论，利用龙凤山铸业生产的高纯铁原料成功研发出超高强度紧固件用B17.8及B19.8钢，形成了16.8级和19.8级紧固件制造技术，紧固件实物如图1所示。通过材料和热处理工艺优化，16.8级和19.8级螺栓室温抗拉强度分别满足1600~1770MPa和1900~2070MPa。剪切测试（依据GJB 3376-1998）结果表明，16.8级和19.8级螺栓剪切力分别达到97KN和115KN；室温拉伸疲劳强度测试（依据GJB 3376-1998及GJB715.30A-2002，载荷比=0.1）结果表明，研制的紧固件满足疲劳寿命要求（平均疲劳寿命不低于65000次，单个疲劳寿命不低于45000次）；耐延迟断裂性能试验（根据GJB 715.12-1990，大气环境下恒定拉应力保持96小时）结果表明，螺栓在测试时间内未发生断裂破坏，卸载后螺栓表面及螺纹处未发现裂纹；新研制的超高强度螺栓综合性能满足使役要求。

16.8和19.8级紧固件实物（规格为MJ8×1×50）

项目组在紧固件制造现场

        紧固件素来享有“工业之米”的美誉，是应用量最大的基础零部件。在当前“碳达峰”和“碳中和”政策下，汽车、高铁、航空、航天、国防等国家重大装备制造用紧固件对长寿命超高强度紧固件有紧迫需求。超高强度紧固件可以在相同夹紧力下，通过减少自身尺寸来降低重量和增加安装空间，因此可以对被连接部件进行功能和体积优化，从而使装备达到整体减重和性能优化的目的。据了解，一架现代飞机所用的紧固件总重量可占飞机总重的5%-6%，而一架中型飞机上的各类紧固件可达到200-300万个。仅在飞机减重方面，超高强度紧固件就有巨大的市场需求。
        我国紧固件产量和产值持续增长，近两年紧固件年产量达到了900万吨，居世界首位。但我国紧固件行业总体仍处于中低端水平，高端紧固件依赖进口，进出口单价相差7倍左右。为了促进紧固件及材料的高端化发展，上海大学材料学院高性能钢铁材料团队依托“长三角”产业集群与产业链完全的优势，2017年在海盐县政府的支持下成立了“上海大学-海盐紧固件产业创新平台”、2020年相继成立了“上海大学-舟山市7412工厂高端紧固件研究院”和“上海大学-七丰精工高强度高端紧固件技术研究院”。2021年4月，在嘉善县政府的大力支持下，上海大学与嘉善县政府成立了“上海大学（浙江）高端装备基础件材料研究院”，立足“长三角”，围绕国家“四个面向”要求开展相关工作。
        超高强度紧固件及材料的研制是研究院的重点项目。该项目成功研制出16.8级和19.8级紧固件，是国际上紧固件与材料攀登强度高峰的一个突破。将有力地推动我国重大装备的轻量化制造（如可以实现发动机小型化和提高功率密度的目标），促进中国的钢铁生产与紧固件制造领先世界。这次超高强度螺栓的研制突破预示着我国基础件与材料从跟跑、并跑到领跑的过程正在加速。


        文章来源：上海大学
        董瀚，男，1962年生人，中共党员，教授级高级工程师，博士研究生导师，享受政府特殊津贴的专家。上海大学材料科学与工程学院院长，博士生导师；中国金属学会特殊钢分会主任委员；中国稀土行业协会稀土合金分会会长；中国内燃机学会新材料分会主任委员。