背景
随着汽车特别是新能源汽车的兴起和技术的发展，紧固件的力学性能越来越受到重视，常规紧固件的力学性能包括拉伸载荷、硬度、脱碳、疲劳寿命等，其中，疲劳寿命可以直观地反映紧固件在外力载荷下的物理特性。
众所周知，紧固件的生产工艺是：材料球化退火-酸洗磷皂化-冷拔-冷镦成型-螺纹加工-调质热处理-表面处理，蒸汽标准生产螺栓的规格大多有M10、M12、M16、M20、M24等。 球化退火材料的碳化物呈球形分布在基体中，可以改变材料的冷变形工艺性能。 经酸洗磷皂化和冷拔后，该材料尺寸精度高，可用于冷镦成各种螺栓。
结果表明：螺纹成形质量对螺栓的疲劳性能影响较大，齿底轧丝的折叠缺陷是早期多源疲劳断裂的主要原因之一，因此应避免此类缺陷的发生。
紧固件热处理 淬火和回火是最常用的热处理工艺，是提高紧固件强度的关键工艺。 淬火回火（淬火回火热处理）会极大地影响螺栓的最终性能，至于109级螺栓SCMCRMO钢采用870 10淬火保温和520 20回火保温的热处理工艺，螺栓通过调质热处理基本可以达到所需的机械性能。
问题
在实际的紧固件热处理生产过程中，产品使用一批原料后，必然要用到另一批原料，这些不同批次的原料可能是同一钢厂的炼钢炉号相同，也可能不是，不同钢厂之间和同一钢厂之间不同炉号之间， 其组成中每种元素的含量是不同的，这些差异的存在将直接影响热处理工艺和热处理生产质量。对于相同材质、相同规格和性能等级、不同炉批号的产品（当预热处理工艺完全相同时），当使用相同的设备和热处理工艺进行处理时，得到的硬度值和变形等热处理指标很可能不同，有的甚至可能出现严重的偏差或裂纹。 这就要求在实际的热处理过程中，有时会针对不同炉号的产品对热处理工艺进行相应的调整。
在汽车工业中，不需要控制高档螺栓钢材料的带状结构。 但是，需要合理了解带状组织的生产条件、控制需求和带状组织的基础，具体讨论如下：
带状结构是线材和棒材坯料在热轧过程中形成的常见微观组织缺陷，严重影响钢材的后续加工性能和使用性能。 据文献分析，合金元素的微观偏析是形成带状组织的根本原因，合理控制合金成分、枝晶形貌和热加工技术也是抑制带状结构的重要途径。
微观偏析引起的树突内部和树突之间的Ar3区域温差越大，条带越容易形成。 奥氏体分解过程中的冷却速率和奥氏体晶粒尺寸是形成带状结构的主要影响因素，较高的冷却速率和较大的奥氏体晶粒尺寸可以抑制带状结构的发生。
现状
由于现阶段我国对汽车紧固件带钢结构的相关研究不足，鉴于带钢结构对钢材生产使用性能的影响日益突出，带钢结构应受到业界的高度重视。 特别是重点领域（如航空航天、海洋工程、先进轨道交通装备等）使用的高端紧固件钢中的带钢结构应受到紧急关注。 本文综述了普通紧固件钢（属于亚共晶钢）带钢带钢的形成机理、危害、控制措施和方法以及带钢结构的评级方法，并提出了带钢结构研究与控制的关键问题。
紧固件钢的带钢组织只能在退火平衡结构状态下观察和评价，如图1所示。 图 1 显示了 45 颗钢白色铁氧体和深色珠光体的条带分布。 其形成的条件可以通过遵循铁碳平衡图来了解。 这种结构是由奥氏体组织在缓慢冷却条件下产生的，先析出铁素体，当奥氏体中的碳含量逐渐增加到共晶状态时，剩余的奥氏体转化为珠光体。
图1 45 钢白色铁氧体和深色珠光体呈带状分布。
为什么要控制能带结构，原因有以下几点：带状结构越严重，材料合金的偏析越严重，不同区域的淬透性差异很大。 其中，大型螺栓头部锻造后，如果没有预热处理退火或正火，容易出现粒状贝氏体组织，影响加工性能; 此外，在螺栓淬火过程中，合金含量低的区域（铁氧体带面积）的淬透性较低，淬火质量难以保证，带状淬火贝氏体容易出现在螺栓芯中，导致拉伸载荷波动较大，影响测量稳定性。 总之，它对紧固件相关热处理工艺的质量有重大影响。
冷却过程中铁素体析出的第一个区域是奥氏体相对不稳定的区域，不稳定条件是该区域的合金含量较低，而珠光体区域由于合金元素高而相对稳定，奥氏体相对稳定，这是奥氏体分解后的区域。 但是，铁素体和珠光体组织的相对含量（%）是由材料的含碳量决定的，应该清楚的是，表面上是评价带状组织（铁素体和珠光体的带宽），但实质上是评价材料中合金元素的偏析程度。
同时，促进合金元素的均匀扩散，减少线材，棒材连铸坯固化组织的微观偏析是减少或消除带材组织的主要途径。 带中可能存在长夹杂物，但是，钢中夹杂物的大小、形态和分布对带的影响程度。 表征和定量评估带状组织及其危害程度是一项重要任务。 此外，线材棒材坯料加热系统对带材结构的消除和结构晶粒尺寸的控制的综合影响有待进一步研究。
困难
现行螺栓钢标准包括GB T3077-2015《合金结构钢》和GB T6478-2015《冷镦冷挤压钢》，与GB T3077-1999和GB T6478-2001的旧标准的主要区别在于严格控制杂质元素P和S的含量，降低了各牌号钢中的P和S含量， 原优质钢材比原标准降低0005%（≤0.030%），后者的调质型钢为0025%，反映了我国钢铁冶金技术的不断进步，降低了热处理淬火开裂的风险。 由于GB T3077和GB T6478标准中没有对带组织检测的要求和规定，因此需要尽快增加和修订。
当钢中存在磷偏析时，就会形成条带。 当钢在A3-A1范围内缓慢冷却时，高磷区A3温度较高，首先形成铁素体，碳集中在低磷区，形成低磷富碳区，在随后的冷却过程中发生共晶转变，形成珠光体，使组织层层排列。
锰也是促进带状偏析形成的元素。 在热轧钢中，珠光体形成处的锰含量一般较高，析出铁素体处的锰含量较低。 热轧后，钢缓慢冷却，共晶铁素体会沿着变形纤维分布的方向优先在低锰处析出，然后碳会推进到高锰处形成珠光体，导致珠光体和铁素体呈带状分布。
如果钢中有非金属夹杂物沿轧制方向伸长成带状分布，这些夹杂物可能成为冷却过程中优先析出的铁素体芯，铁素体带的形成一般难以通过正火消除。 这种色带必须通过高温均质退火，然后进行正火处理来改善。
图2 42CrMo钢退火后的带钢组织（x100）
从图2可以看出，组织成分不均匀，铁氧体聚集成块状。 如果奥氏体中的合金元素分布不均匀，会导致晶粒生长趋势不同，未溶解的碳化物容易留在碳化物形成元素的富集区，从而降低碳原子的扩散速率，抑制晶粒生长。 在稀释区，晶粒容易生长，因此容易出现混合晶体结构。 淬火时，合金元素耗尽区的淬透性低，易形成非马氏体组织。 在渗碳和淬火过程中，混合晶粒中的粗晶粒形成粗针状马氏体，这将增加残余奥氏体的量。 因此，在常规热处理后，碳带的机械性能较低。 此外，由于构件偏析，相变前的膨胀系数和比体积差增加，增加了螺栓的淬火变形。
图3 42CrMo钢淬火后带材的力学性能为方向性（左x500，右x1000）。
由于微观组织的层状排列，带材结构使其力学性能具有方向性，（见图3），即沿带状纵向部分的抗拉强度高，韧性好，但横向性能比较差，不仅强度低，韧性也差， 而且钢的切屑性能也会变差，后续热处理变形的不均匀性和硬度也会同时增加。如果淬火前存在带状组织，则不可能在淬火加热过程中全部消除，淬火后剩余的带状组织会对工件造成更大的微观组织应力，甚至导致开裂。
结合表1中的力学性能数据，冲击值不合格，平均值21与标准值27相差约22%，铁素体在晶界处聚集生长，增加了晶粒尺寸，降低了裂纹扩展阻力，降低了冲击能量。
表1 M45x280螺栓 880 5 淬火油，540 10 回火后的机械性能。
注意：技术要求参见 ISO WD 898-11：2023
一般奥氏体中碳的均质化温度高于950，合金元素的均质温度高于1100，均质时间受能带结构的带宽、能带间的浓度差和所需的均质化程度的限制。 因此，带材组织中的碳（特别是合金元素）的均质化是相当困难的，一般很难通过常规热处理（如退火、正火、淬火、渗碳等）消除带状组织。
检查
频段的严重程度可按GB T 34474确定1-2017 钢带结构评价方法 第1部分：标准等级表法，GB T 344742-2018 《钢带结构评价方法》第2部分：定量方法”。 在100倍视野下观察，2级通过。
按GB T 344741-2017 《钢带结构评价第一部分：标准评定表法》对带钢结构水平进行评价。 该标准在评估带材结构时明确了试样的取样位置和试样的检验状态，试样的试验面应平行于钢的纵轴。 本标准适用于碳元素质量分数不大于060钢，实际视场直径为0选取80mm，最严重视场和样品检测面上各视场的额定光谱进行比较和评级。 评级图中的条带由白色和黑色组织组成，白色是铁氧体，黑色是第二种组织。 在评估钢中的带时，应根据铁氧体带的数量和宽度，以及铁氧体带通过视场的程度和连续性来确定带的等级。 根据钢的含碳量，光谱分为e系列，每个系列的带钢组织分为0 5个等级。 如图3所示，42CrMo钢中的带状结构更为明显，铁素体和珠光体交替呈带状，符合GB T 344742017-2017年标准42crmo钢的带钢结构为3级。
也可提供符合GB T 344742-2018《钢中带的评价 第二部分：定量方法》对带的水平进行评价，采用数理统计的方法，提供带的取向度等参数，是一种比较科学的统计方法，适用于除铁氧体以外的其他带，用途广泛。 在本标准的评价中，需要随机截距5个以上的视场，然后计算带钢组织特征对象的数点和截距点，然后用相关公式代替定量计算，最终得到钢的带钢结构水平。 该方法避免了人为的不确定性，但需要大量的分析和计算，导致其应用率较低。
常规热处理（如退火、正火、淬火、渗碳等）不能消除带材组织中合金元素的偏析，虽然快速冷却可以抑制碳的不均匀分布，并且带状组织不会出现或减少，但在再加热和缓慢冷却时会形成带状组织。
讨论
为此，对汽车紧固件用钢带结构的适应性或实用性评价进行了如下探讨：
首先仅当珠光体和铁素体组织在平衡结构状态下的面积百分比含量大致相同时，才适用于带材结构的评价。 这种组织状态是表达钢中合金元素偏析的最佳方式。 同时强调，只有在平衡组织状态下，组织的稳定性才是好的和可比的。 不平衡的组织是多种多样的，无法统一识别和比较。
其次需要强调的是，带钢结构主要针对那些淬透性高的高档螺栓钢，因为这种材料的合金元素较多，偏析非常严重; 同时，必须注意的是，这类材料是用来制造那些大规格的汽车紧固件，或者是风电、核电机组的大型螺栓，所以钢的轧压比比较小，大尺寸螺栓的淬火条件也比较差，带钢结构及其影响比较严重。 通常直径大于一定尺寸的钢材要有带材结构的要求，同时要规定钢材的具体部位取样，因为不同部位的大尺寸钢带结构差异很大，在具体部位的取样评价具有技术意义。 还需要明确这一点。
最后关于疲劳强度的问题。 业内有一些理论认为带状结构影响疲劳强度，从技术层面包括两个方面。 首先，通过螺栓毛坯的退火和成品零件的调质结构异常来提出带钢组织的控制，不涉及产品的疲劳强度。 其次，如果对相关钢材进行标准化疲劳性能试验，疲劳试样不会对带状组织表现出敏感性，也不会对标准疲劳试样和热处理方法的疲劳性能产生影响，因此无法测量相关数据。
螺丝君的经验与总结
带状结构的钢的力学性能是各向异性的，在紧固件加工过程中极易在钢界面处断裂，在随后的热处理中，带状结构会导致钢材过度变形，甚至出现裂纹，裂纹一般没有氧化脱碳现象; 热处理裂纹扩展方向一般是穿过晶体和沿晶体同时共存，严重时可单线延伸，甚至贯穿整个工件，如果回火，裂纹中可能出现氧化物; 一般来说，即使裂缝脱落，也可以在裂缝附近观察到裂缝中夹杂物的存在。 对紧固件质量极为有害。 但是，带状结构不易通过一般热处理消除，最节省成本的方法是重新溶解电渣并提高结晶速率。
目前，对带状结构对紧固件及其危险程度的影响进行精细表征和定量评价是一项重要任务。 此外，线材和棒材铸坯加热系统对带材结构的消除和组织晶粒尺寸的控制的综合影响也需要深入了解，这需要行业专业人士的共同努力。
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