摘要：

　　ASTM和SAE的紧固件机械性能标准中有上百个不同等级和标志的规范，其技术参数的要求相互交叉和又重合、标准号和内容也相对独立、自成体系、又相互包容。每一个等级都为一种实际的需要服务，但是大多数等级都是有特殊的用途，只有少数机械性能等级才是工程上最常用的。

　　由于美标紧固件机械性能标准的多样性、差异性和复杂性，为理清ASTM和SAE二个标准的关系及技术条款，本文全部参考了最新二O二O年、二O二一年版ASTM和SAE的紧固件标准，并摘录了美国紧固件技术专家泰勒奥尔森Tyler Olson 先生揖写的《AmericanFasteners With Similar Strengths》论文的部份内容，整理编写，供行业同仁们参考。

1.   紧固件机械性能标准分类和特点

　　ASTM和SAE的紧固件机械性能标准有上百个不同规范要求及等级的规定，机械性能技术参数要求相互交叉和又重合、标准号和内容也相对独立、自成体系、又相互包容。美制紧固件机械性能标准主要分类在ASTM美国材料试验协会、SAE汽车机动车工程师协会和IFI工业紧固件协会的三个标准之中（可视为准国家标准）。

　　每一个性能等级都为一种实际的需要服务，但是大多数等级都是有特殊的用途，只有少数性能等级才是工程上最常用的。

　　美制紧固件机械性能标准强调：

• 根据使用特性和环境的要求，制定不同的性能等级标准；
• 符合一般、室温用途条件；
• 符合耐高温和高压（+200℃~+370℃）特性用途条件；
• 符合耐低温（-50 ℃以下）特性用途条件；
• 符合耐腐蚀条件的不锈钢紧固件；
• 符合钢结构用紧固件；
• 高强度A574内六角螺钉。
• 符合特殊用途紧固件系列，如机螺钉机械性能、自攻螺钉功能性要求，在相应的产品标准里。

　　图1 美制外螺纹紧固件机械性能标准分类

　　美国各协会的紧固件机械性能标准是按自己的标准体系制定,所有的机械性能技术要求和等级标志、测试方法都与ISO、EN标准完全不一样。美制紧固件机械性能标准与国际标准ISO、欧盟EN、德国DIN、以及中国GB标准相比，差异较大，标准体系完全不一样，不兼容，也不能替换，看似没有规律，实际上美紧固件制机械性能标准体系完整，是根据实际应用的需要和特点，而制定了不同的类型、材料、强度、等级和标志的技术规范，且也相对分散分布在二个主要ASTM和SAE标准之中，其次在IFI协会标准里。

　　不同的紧固件机械性能标准，有不同的强度等级，有所对应等级标志和技术规范，其性能指标包括抗拉强度、保证载荷、硬度、塑性、表面硬度、金相组织和测试方法等。

　　图2 美制外螺纹紧固件机械性能技术指标

　　美制外螺纹紧固件的材料和性能标准，按机械性能要求、特点和试验方法可以分成以下七组：

　　表1   ASTM 和SAE外螺纹紧固件机械性能组别（2021年）

2.   选择机械性能标准的准则

　　美制碳钢和合金钢外螺纹紧固件有一百多种不同的性能等级，每个都有对应的机械性能指标、适用范围和标志要求。每个等级都为实际需要服务，大多数等级有特殊用途，少数性能等级是常用的。由于美制紧固件机械性能标准和等级要求多，分布广，要根据标准的特点和要求，如何正确选择外螺纹紧固件机械性能标准和等级，推荐准则如下。

　　A、准则一，以强度要求为主

　　单一考虑外螺纹紧固件的强度性能要求，用于低强度的紧固件可选用SAE J429标准中的1、2级或ASTM A307标准中的A和B级；

　　用于高强度的紧固件可选择：SAE J429标准中的5级和8 级、ASTM A449、A354标准中BC级和BD级。

　　B、准则二，用于高温高压工况条件下紧固件

　　用于温度为+300℃～+600℃耐高温或高压工况条件下下紧固件，要选用美国钢铁协会标准AISI 4100、8600和8700的铬钼钢和不锈钢材料，可选用ASTM A193／193M和194／194M标准。

　　奥氏体不锈钢如303、304、305、316和327不可以热处理，但固溶处理紧固件抗拉强度为516MPa；冷作硬化紧固件抗拉强度为620 MPa ～861MPa,。

　　铁素体不锈钢如430、430F,紧固件抗拉强度只有516 MPa 。

　　马氏体不锈钢如410、416和431, 可进行热处理，紧固件抗拉强度可达1033MPa。

　　C、准则三，用于耐低温工况条件下紧固件

　　用于低温度-30℃以下的紧固件，为防止发生冷脆现象，要选用美国钢铁协会标准AISI 4140和4037牌号材料。如温度更低，则选用AISI 4340和8740材料，可承受不大于-38℃;奥氏体不锈钢在-100℃时工作也很好。这些耐低温的紧固件可选用ASTM  A320/A320M标准。

　　D、准则四，用于钢结构紧固件

　　用于钢结构桥梁、建筑的高强度紧固件，可选用ASTM A325/A325M（860 Mpa，相当于8.8级）、A490/A490M（1040Mpa，相当于10.9级）钢结构高强度紧固件、F1852（860 Mpa）和F2280（1040Mpa）扭剪型钢结构高强度螺栓的标准。

　　2015年ASTM发布ASTM F3125《英制和米制钢及合金钢高强度结构螺栓，热处理最小抗拉强度120 ksi（830Mpa）和150 ksi（1040 Mpa）技术规范》标准，以替代现有的原6个ASTM A325、A325M、A490、A490M、F1852 和 F2280标准。

　　E、准则五，用于内六角螺钉

　　用于工程机械装配的内六角螺钉、沉头内六角螺钉和紧定螺钉，可选用ASTM A574、F835标准，强度相当于米制12.9级。

　　F、准则六，考虑特殊用途或有色金属紧固件

　　用于输电塔、地脚专用紧固件，可选用ASTM　A394、F1554标准。

　　不锈钢紧固件，可选用ASTM F593、F594。

　　有色金属紧固件，可选用ASTM F467、F468。

3.   ASTM和SAE标准概要

　　以下是紧固件规格、产品规格及长度对应的等级，以及这些规格中列出的一些机械性能参数。对于英寸系列标准(ASTM和SAE)，对这些等级，机械性能的参数有微小差异，但是这些的标准是相互独立的，要清晰分类和标准间相互的关系及特点是一项非常重要的基础工作。注意，米制外螺纹紧固件机械性能标准规范（ISO898-1）是唯一的标准。

　　3.1美制各机械性能标准的等级划分与ISO 898-1的关系

　　注意ISO 898-1-2013标准和ASTM、SAE标准的等级之间的相似之处，见表2。

　　表2   ISO 898-1标准和ASTM、SAE的机械性能等级比较

　　3.2 ISO898-1紧固件机械性能标准技术要求

　　ISO898-1紧固件机械性能标准规定了由碳钢或合金钢制造的、在环境温度为10℃～35℃条件下进行测试时,螺栓、螺钉和螺柱的机械和物理性能，共有9个等级。在该环境温度范围内,符合本部分技术要求的紧固件(含螺栓、螺钉和螺柱)。

　　注意，在较高和较低温度下，也可能达不到规定的机械和物理性能。可参照 DIN 267-13《紧固件交货技术条件-温度在-200℃至+700℃之间用具有特殊机械性能的螺纹连接件》和EN 10269 - 2013 钢和镍合金紧固件与指定的升高和/或低温性能》标准。

　　表3  ISO898-1，碳钢和合金钢紧固件的机械性能

　　注释：

• ISO898-1标准规定的紧固件性能的等级在工程上是很常见。

　　注意，以上性能等级的紧固件也可用于制造和应用时，规格直径可能要超出规定≥M39的范围，此时，买方和供应商应达成一致意见。

• 在2021年ISO/TC2国际紧固件标准化技术委员会就开始着手制定39mm<d≤100mm外螺纹和螺纹

　　紧固件机械性能标准，以满足工程需要。

　　*  ISO/CD 898-11《紧固件——碳钢和合金钢制成紧固件机械性能 第 11 部分：直径为39mm<d≤100mm 螺栓、螺钉和螺栓》标准；

　　* ISO/CD 898-12《紧固件——碳钢和合金钢制成紧固件机械性能 第 12部分：直径为 39mm<d≤100mm 螺栓、螺钉和螺栓》标准。

　　3.3 ASTM和SAE碳钢或合金钢紧固件机械性能标准

　　 ASTM A307-2021《60,000Psi抗拉强度的碳钢螺栓和螺柱标准规范》

　　* 该标准涵盖尺寸为1⁄4~4英寸，有两个强度等级的碳钢螺栓和螺柱的化学和机械要求。

　　* A级最小抗拉强度为60ksi的螺栓、螺柱和螺纹棒；

　　* B级螺栓、螺柱和螺纹杆的抗拉强度为60~100ksi，适用于管道连接的法兰螺栓和螺柱，其中原

　　标准C级现已转归到ASTM F1554标准的36等级。

　　表4  ASTM A307，碳钢螺栓、螺钉和螺纹杆的标准规范，抗拉强度60ksi

　　注释：

　　*  A307标准在工程中A级远比B级更常见。A级螺栓也比SAEJ429的2级更常见。

　　*  通常在紧固件一般的应用或法兰连接时，要承受相对略较大的强度载荷时，则指定B级；

　　*  (a)虽然ASTM A307规范中没有规定屈服强度，但36ksi是通常假定的屈服强度的应力值。

　　  ASTM F1554-2020《36,55和105ksi屈服强度的钢地脚锚固螺栓标准规范》

　　*  该规范包括由碳、中碳硼、合金或高强度低合金钢制成的直棒、弯曲、有头和无头锚固地脚螺栓

　　（锚杆）。它提供了三种强度等级、两种螺纹级别和中径螺坯的地脚螺栓，还包括用于锚栓固定到混凝土上的全螺纹杆。

　　*  55级制造可用焊接钢,要有制造商和等级识别，以及55级和105级的冲击性能要求。

　　表5  ASTM F1554，钢制锚固螺栓的屈服强度36、55和105-ksi的标准规范

　　注释：

• ASTM F1554是锚固地脚螺栓标准规范。在螺纹棒中，有时也要求使用F1554。这些等级可以做

　　成螺纹棒，但这不很常见。

• 通常，当要求使用F1554级36级螺纹杆时，就会提供ASTM A307级A级螺纹杆。
• 通常，当要求使用F1554级105级螺纹杆时，就会提供ASTM A193级B7级。

　　  SAE J429-2014《外螺纹紧固件机械性能和材料要求》

　　*  该SAE标准涵盖了英寸系列钢制螺栓、螺钉、螺柱、螺钉、sems和u型螺栓，规格直径≥1/4≤3/4 in的机械性能和材料要求，力学试验性能是在大约20°C(68°F)的环境温度下测试。

　　*  这些性能在规定温度范围内是有效的，取决于所使用的材料等级以及热处理加工和机械加工。其他性能，如疲劳强度、耐腐蚀性、冲击性能等。

　　*  螺栓和螺絲一般仅适用於 1, 2, 5, 5.2, 8 和 8.2等级。牙条一般仅适用 1, 2, 4, 5, 8 和 8.1等级。其中5.1 提供給螺钉和(SEMS)螺絲組合件后再热处理。

　　表6  SAE J429，外螺纹紧固件机械和材料要求

　　注释：

• J429标准在在工程中和行业中是很常见。
• 当要求使用直径为>1 1/2英寸的5级紧固件时，通常会提供按ASTM A449标准的规范要求。
• 当要求使用直径为>1 1/2英寸的8级紧固件时，通常会提供ASTM A354的BD级规范要求。

　　ASTM A193/A193M-2020《高压或高温设备及其他特殊用途用合金钢和不锈钢螺栓组件标准规范》

　　*  该标准包括用于高温或高压工况或特殊目的用的压力容器、阀门、法兰及管件的合金钢和不锈钢栓接

　　材料。关于栓接的定义见规范 A962/A962M。棒材和线材应是热轧的。奥氏体不锈钢可以碳化物固溶处理或碳化物固溶处 理加应变硬化。

　　*  本标准包括若干牌号的铁素体钢和标号 B5和B8 的奥氏体不锈钢。

　　注 1：在标准中列出了目前已广泛使用的 15 种类型的钢，如B7、B7M、B16。

　　注 2：关于适用于高温或略的低温度范围的合金钢栓接材料种类，应参考 A354 标准。

　　注 3：关于适用于低温的合金钢栓接材料种类，应参照 A320/A320M。

　　表7  ASTM A193/A193M，在高温或高压服务和其他特殊用途的合金钢和不锈钢螺栓的标准规范

　　注释：

• 注意A193和ASTM A320标准之间的相似性。也就是说，ASTM A320是为低温应用而编制的，

　　A193/A193M是为高温或高压应用而编制的。

　　 ASTM A320/A320M-2021《低温用合金钢和不锈钢栓接材料标准规范》

　　* 该标准包括用于低温条件下的压力容器、阀门、法兰和配件用的合金钢栓接材料和栓接部件。奥氏体

　　不锈钢经固溶退火或退火的应变硬化处理。

　　* 包含有多个等级，如L7等级的铁素体钢和B8等级的奥氏体钢。选择设计、服役条件、力学性能和低

　　温特性为依据。材料能符合这些要求,如L43等级在-150℉[-101℃]温度下满足规定的冲击能量值时。

　　* 提供的栓接材料和栓接组件应符合规范A962/A962M 的要求。这些要求包括试验方法、表面处理、螺

　　纹尺寸、宏观浸蚀（仅限碳钢和合金钢）、标记、检定证明、可选的补充要求和其他要求。

　　表8  ASTM A320/A320M，在低温环境条件下用合金钢和不锈钢螺栓连接的标准规范

　　注释：

• A320/A320M是为低温应用而编制的，注意A320和ASTM A193之间的相似性。ASTM A193是为高温应用而编写的；A320的机械性能通常反映了A193标准的特性要求。
• A320有V-缺口冲击吸收功要求。

　　ASTM F3125-2021《经热处理的最低拉伸强度为120 ksi (830 MPa) 和150 ksi (1040 MPa)且具有英制和公制尺寸的钢和合金钢制高强度结构螺栓的标准规范》

　　* 该规范包含了由钢和合金钢制造的，经淬火和回火处理的，以英寸和公制为尺寸单位的，两种强度等级、两种类型（1型碳钢或合金钢材料和3型耐候钢材料）和两种型式（重型六角螺栓或扭剪型螺栓）的化学、物理和力学要求。

• ASTM/F16委员会于2015年1月发布了ASTMF3125标准，是对原六个标准（A325，A325M，A490，A490M，F1852和F2280）的合并和替代，将原标准号改为性能等级，如A325等级。现行版是F3125-2021版。

　　* 螺栓规格从 1/2 英寸至 1-1/2 英寸、从 M12 至 M36。

　　表9  ASTM F3125钢结构螺栓标准中的A325和A490等级规范

　　注释：

• 本规范制造的螺栓旨在用于结构连接研究理事会批准的《使用高强度螺栓的结构连接规范》中涵

　　盖的结构连接。

　　ASTM A449-2020《热处理最小抗拉强度120/105/90ksi,一般用途的钢制六角头精制螺钉、螺栓和螺柱标准规范》

　　* 该规范包括淬火和回火，强度120 ksi（近似8.8级）要求的两种型式的螺栓与螺柱的化学与机

　　械特性能。

　　* 该螺栓与螺柱适用于一般应用，并应用于有一定强度特性要求的场合。

　　* Ⅰ型——中碳钢螺栓与螺柱，其公称尺寸在1/4"至3"的间。

　　* Ⅱ型——低碳马氏体或中碳马氏体钢制螺栓与螺柱其公称尺寸介于1/4"至1"之间。

　　* 当型式并未指定时，则采纳Ⅰ型，如果使用时有温度要求的，采购商需在采购订单上标明Ⅰ型。

　　表10  ASTM A449，一般使用的六角螺钉、螺栓和螺柱，钢制热处理的最小抗拉强度120/105/90ksi

　　注释：

• 由于A449与SAE J429的5级几乎相同，因此它们占据了相同的市场份额。
• 在工程上选择常见直径是1/4~1 1/2英寸时，则采用为SAE J429有5级。
• 当SAE J429的5级、规格d>1.1/2英寸紧固件时，就选用ASTM A449。

　　ASTM F835-2020《内凹槽圓頭和沉頭螺釘的機械性能标准规范》

　　* 本规范涵盖了淬火和回火高强度合金钢内凹槽圓头 (SBHCS)0.060 到 0.625 螺纹尺寸和平沉头

　　(SFHCS)螺纹规径0.060~1.5英寸的螺钉。

　　* 符合本规范的紧固件适用于剪切型应用，并具有拉伸要求范围从 122 到 150 ksi。

　　表11  ASTM F835，合金钢凹圆头和平沉头螺钉的标准规范

　　注释：

• 这些紧固件在工程上中很常见。
• 在F835标准中，在采用这些紧固件等级，与采用120ksi的强度紧固件一样。
• (a)ASTM F835沉头部最大直径≈5/8英寸，而平头最大直径≈1 1/2英寸。
• (b)ASTM F835的屈服强度要大于抗拉强度，是由于该产品头部（沉头）的结构原因，而降低了承

　　载强度，而不能达到与ASTM A574标准一样的公称抗拉强度值。

　　ASTM A354-2017e2《淬火和回火的合金钢螺栓、螺柱和其他外螺纹紧固件标准规范》

　　* 该技术规范包括了直径≥1/4≤2 1/2的淬火和回火的合金钢螺栓、螺柱以及其它外螺纹紧固件的

　　化学成分和机械性能要求；

　　* 这些紧固件在常规大气温度下应由有较高的强度要求，但是，在高温条件下也是有限的应用。

　　* 本技术规范包括2种螺栓强度水平，标记为BC级和BD级。

　　* 合金钢螺栓、螺柱和其它外螺纹紧固件（即1-1/2英寸以上的重型六角结构螺栓、六角螺栓、锚

　　固螺栓以及沉头螺栓），其机械性能与A490螺栓相似的。

　　表12  ASTM A354，淬火和回火合金钢螺栓、螺栓和其他外螺纹紧固件的标准规范

　　注释：

• 由于BD级与SAE J429的8级有很多相似之处，因此它们占据了相同的市场份额。
• 在工程上选择常见的规格是1/4~1 1/2英寸应为SAE J429的8级。
• 当SAE J429的8级紧固件被要求直径>1 1/2英寸时，ASTM A354标准的BD级是主导等级。

　　“9级”超高强度外螺纹紧固件

　　*  “9级”级超高强度外螺纹紧固件，由于其强度高、硬度高，应力相应就大，估生产和选择材料

　　应慎重。

　　* “9级”相当于ISO 898-1的12.9 级，但美国现在尚无此标准规范，仅Fastenal、PFC、BBI等

　　公司有企业标准。

　　表13  尚无标准化的高强度“9级”的规范

　　注释：

• 这些“9级”等级的紧固件在工程中很常见。所有的“9级”紧固件都是按照专有工艺和材料进行制造的。
• 9级同ASTM A574和ISO 898-1的12.9级一样是最高强度的标准紧固件。

　　ASTM A574《合金钢内凹槽圆柱头螺钉标准规范》

　　* 该规范包括了三种头型的合金钢内凹槽（内六角）螺钉的机械性能要求。螺钉必须经淬火并回火处理，以达到标准规定的机械性能要求。

　　* 三种头型分别为：圆柱头、扁圆头（平圆头）和沉头。

　　* 合金钢必须含有足够量的铬、镍、钼或矾等合金元素中的一种或几种，而且应符合AISI（美国钢铁协会）对合金钢中化学元素最大、最小含量的规定。

　　表14  ASTM A574，合金钢内凹六角圆柱头螺钉标准规范

　　注释：

• 这些A574紧固件在工程中很常见。
• A574与高强度“9级”和ISO 898-1标准12.9级一样，是标准中最高强度的紧固件等级。

　　3.4 ASTM不锈钢紧固件机械性能

　　ASTM A193/A193M《关于高温或高压服务和其他特殊用途的合金钢和不锈钢螺栓的标准规范》

　　* 适用于高温条件的栓接材料，根据使用的性能要求分别采用：中碳合金钢、马氏体不锈钢和奥氏

　　体不锈钢。铁素体钢和B5、B8等奥氏体不锈钢等。

　　* 奥氏体不锈钢栓接材料，都应进行固溶退火处理和应变硬化。包括1类、1B类、1C类、2类、2B

　　类、2C类的紧固件成品，1D类的线材、棒材及紧固件成品。2类、2B类和2C类栓接材料应进行应变硬化，以获得要求的性能

　　表15 ASTM A193/A193M，关于高温或高压服务和其他特殊用途不锈钢螺栓的标准规范

　　注释：

• A193/A193M是为高温应用而编制的。其中第一类等级比第二类等级更常见。

　　ASTM F593-2017《不锈钢螺栓,六角头螺钉及螺柱标准规范》

　　* 本规范包括由几种常用不锈钢材料制造、直径0.25-1.50英寸的螺栓、六角头螺钉和螺柱的化学

　　成分和机械性能要求。用于一般耐腐蚀能力的应用。

　　* 本标准共纳入7组不锈钢等级，其中有12种奥氏体、两种铁素体、4种马氏体，以及一种沉淀硬

　　化不锈钢。

　　表16 ASTM F593，不锈钢六角螺栓、六角螺钉和螺柱的标准规范

　　注释：

• ASTM A593标准中AG-合金组。CW-冷作硬化。SH-应变硬化。
• F593C、F593D、F593G、F593H紧固件在工程中很常见。

　　ISO 3506-1-2020《紧固件 耐腐蚀不锈钢紧固件的机械性能第 1 部分： 具有规定组别和性能等级的螺栓，螺钉和螺柱》

　　* 本标准规定了在环境温度为 10°C～35°C 的条件下测试时，由耐腐蚀不锈钢制造的粗牙螺纹和

　　细牙螺纹的螺栓，螺钉和螺柱的机械性能和物理性能。

　　* 它规定了与奥氏体，马氏体，铁素体和双相体（奥氏体-铁素体）不锈钢有关紧固件的性能等级。

　　* 注 1：符合本文件要求的紧固件可在–20°C～150°C 的范围内使用而不受限制。同时，符合本

　　文件要求的紧固件甚至可以在温度低至–196°C 和温度高至+300°C 的环境下使用。

　　* 注 2：ISO 3506-5 标准目的是帮助选择在最高+800°C 的温度下，使用的不锈钢组别和性能等

　　级的技术信息指南。

　　表17 ISO 3506-1，耐腐蚀不锈钢紧固件的机械性能，第1部分：螺栓、螺钉和螺栓

　　注释：

• A2组通常是 304 或 302HQ不锈钢材料，但不是必须的。 18-8 是奥氏体不锈钢的通用材料，约

　　含18%铬和约 8% 镍的钢。

• A4 组通常是 316 或 316L不锈钢材料，但不是必须的。 16-10-2 是奥氏体不锈钢的通用材料，

　　约含16% 铬、约 10% 镍和约 2% 钼的钢。

• C1 组通常为 410马氏体不锈钢材料，但不是必须的。
• ISO 3506-1标准中A2-70 和 A4-70 紧固件不锈钢工程中最多的。其次是A2-80 和 A4-80。