随着内燃机行业对技术、质量标准的不断提高以及国家对内燃机排放标准不断提升的要求，各主机厂对于内燃机高温状态下紧固件可靠性的要求也越来越高。很多主机厂已经对新机型高温部位的紧固件提出了更高的要求，要求高温部位紧固件可以在700℃环境下长时间工作。因此，对于高温环境下紧固件材料以及防松措施的选择都需要设计者们予以重视，并结合自己产品的实际情况做出选择。

　　下面就高温环境下紧固件发生失效的几个主要因素进行简单介绍。

一、高温氧化

　　钢件在高温条件下（≥500℃）与气相接触材料的表面会发生高温氧化或腐蚀破坏，从而对紧固件的强度和防松性能造成影响。不同材料在不同的温度下的氧化速率也是不同的。在高温下，普通碳钢的氧化速率相对添加了Cr、Al、Si等元素的合金钢要快得多，更容易发生氧化、起皮、腐蚀的情况，所以，在高温环境下不建议采用普通的碳钢材料，而应选用合金钢材料。

二、材料的高温强度

　　高温强度是指某一材料的产品，在高温下能够承受的强度。

　　以25Cr2MoV为例：在20℃常温下，25Cr2MoV的抗拉强度≥900MPa，屈服强度≥800MPa。产品在高温情况下，强度会产生衰减，随着温度的上升，强度会越来越低。

       500℃高温下，抗拉强度≥650MPa，屈服强度≥600Mpa；

       550℃高温下，抗拉强度≥560MPa，屈服强度≥490Mpa。

三、材料的蠕变强度

　　金属在一定温度、一定应力作用下，随着时间的增加而缓慢连续产生塑性变形的现象称为蠕变。这时的材料的强度称为蠕变强度。

　　蠕变变形是金属在任何温度和应力状态下都会发生的现象。当温度升高时，蠕变变形显得比较明显，碳钢一般在300-350度，合金钢发生在400-450度，高温合金则在500度以上发生明显的蠕变变形，蠕变变形后，会产生塑性变形与断裂失效。

四、材料的持久强度

　　金属材料在高温的条件下，经过规定的时间内发生断裂时的强度称为持久强度（MPa）。是表征材料在高温条件下长期使用的力学性能指标。

　　通常所指持久强度，它是指某一温度下，产品经历一定时间后持续一定时间后的抗拉强度，一般以持续10000小时或100000小时所能达到的抗拉强度为目标值。

　　同样以25Cr2MoV为例，同样的500℃高温下：

　　高温强度：σb≥650MPa

　　持久强度：σb：260～290 MPa（10000小时）

　　                 σb：190～210 MPa（100000小时）

　　持久强度与温度、时间、材料的牌号，三个参数都有密切的关系。

五、材料的应力松驰

　　预加弹性变形后在拉应力条件下工作的零件（如紧固螺栓），在高温下总变形量恒定不变而应力随时间延长而下降的现象，称为应力松弛。

　　材料的高温应力松弛现象也是由蠕变引起的。

　　即塑性变形不断取代弹性变形，从而使弹性应力不断下降。

　　化学成分、冶炼工艺、组织结构和热处理工艺等对材料高温强度的影响程度远大于对室温力学性能的影响。有些室温力学性能大致相同的材料在高温强度方面相差很大。在Cr-Mo钢和Cr-Mo-V钢中，贝氏体组织的持久强度最低，而铁素体＋珠光体组织有较高的持久强度，马氏体组织的持久强度在二者之间。

　　除了以上方面，还要考虑材料价格的合理性，生产加工的便利性等因素。高温材料的影响因素比较多，每一种材料，不同的应力状态、不同的温度区间，对产品产生的影响是不同的；产品在使用前，必须经过认真地实验后，确认产品能够在高温状况下达到技术性能要求，才是符合产品要求的材料。

　　目前内燃机常用的几种耐高温材料及适用范围

　　1、1Cr13 （参考标准GB/T1220-2007《不锈钢棒》）

　　属于马氏体不锈钢，具有较高的硬度、韧性和冷变形性能，有良好的耐腐蚀性，热强性，安全使用温度400℃。主要制作韧性较高与受冲击载荷的零件。

　　2、25Cr2MoV （参考标准GB/T 3077-1999《合金结构钢》）

　　属于珠光体合金结构钢，加工性能好，耐热性能比较差。能在510℃以下长期工作。变形能力强于4Cr10Si2Mo。

　　3、21CrMoV5-7 （参考标准DIN 17240-1976《螺栓和螺母用耐热和高耐热材料质量规范》）

　　德国标准的珠光体合金结构钢，最高使用温度540℃,安全使用温度500℃。使用范围基本类同于25Cr2MoV，能够用于发动机壳体、阀门、紧固件以及压力容器零件材料。是低碳、低合金类型的高温结构钢，加工性能比较好。

　　4、4Cr10Si2Mo  （参考标准GB/T 1221-2007《耐热钢棒》）

　　属于马氏体型耐热钢，耐热温度较高，而且在高温下表面不易氧化起皮，能在600℃的工作温度下长期工作使用。焊接性能比较差，变形性能也较差，不适宜冷变形加工，如果冷变形容易造成产品开裂。

　　5、GH2132（同A286） （参考标准GB/T 14994-2008《高温合金冷拉棒材》）

　　属于奥氏体沉淀硬化型钢，具有较高的缺口强度，在700℃左右具有较高的屈服强度和持久、蠕变强度，并且具有较好的加工塑性和满意的焊接性能。已经被用于高温喷气发动机，增压器及各种配件和紧固件；并且具有良好的高温耐蚀性。

　　另外，每个钢铁制造企业，每一批材料都存在差异，使用时必须认真对待。产品制造选择比较成熟的材料品种，有利于保持产品质量的稳定性。

　　下表为五种常用高温环境紧固件材料的性能对比，供参考。

　　施必牢防松螺纹比普通螺纹更适合在高温环境下长期工作的力学模型：

　　1、普通螺纹与施必牢螺纹受力特点，见图：

　　普通螺纹与施必牢螺纹的受力状态

　　2、同样大小的应力施加到两种的螺纹上：

　　例如紧固力 F＝10KN

　　普通螺纹：F切＝5KN

                        F轴=5√3=8.67KN

　　施必牢螺纹：F切=5√3=8.67KN

                       F轴=5KN

　　从上例可以看出同样F=10KN，普通螺纹的轴向分力为8.67KN，而施必牢螺纹上只有5KN，高温工作环境下，蠕变强度对产品的影响，施必牢螺纹影响比较小，衰减幅度也相应减少，因此在高温下由于形变产生松脱的机率会大幅降低。

　　对于施必牢螺纹来说，改变了螺纹的受力方向，能够抵抗不同方向的应力；因此无论是横向振动，还是轴向应力，会大幅度减小，特别是在高温下，受力方向的改变、应力的分解，会对紧固件可靠性的提高产生明显地效果。

　　由于施必牢螺纹结构特点，在防止松动的效果上体现特别明显的效果。在同样的环境温度和应力条件下，经过一段时间振动后，其他各种紧固件连接都在实验过程出现了不同程度的轴力衰减或松驰现象，而施必牢螺纹在振动实验后轴力基本保持了初始状态，变化不大。这些实验中出现的情况，必然会在紧固件连接的具体应用中出现，紧固件松动情况在所难免，而施必牢螺纹由于改变了螺纹的结构状态，减小了高温环境下强度、蠕变、持久强度的衰减导致紧固件轴力降低的程度，所以施必牢螺纹在高温环境下的防松性能表现尤其突出。

　　施必牢螺母与其他形式螺母振动试验特性曲线对比图请见下图：

螺母振动试验特性曲线对比图