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。我国紧固件产量和产值逐年增长，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。高端紧固件主要应用在汽车、航空、航天、航海、轨道交通装备及国防等高端领域，据估算，我国高端紧固件的市场规模超过600亿元。高端紧固件主要从日本、欧美等发达国家进口，在当前复杂的国际环境下，高端紧固件容易成为我国重大装备的“卡脖子”产品，因此亟需调整我国紧固件产业结构，加快推进国产紧固件向高端化升级。在“碳达峰”和“碳中和”政策背景下，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。汽车行业是紧固件需求量最大的用户，在紧固件行业中的用量占比23.2%，同时汽车用紧固件所需种类及数量众多，占一辆汽车零件总数的40%，一辆轿车上平均使用紧固件约580种、5000件、50kg；有关报道表明整车重量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3-0.6升，二氧化碳排放量可减少5g/km，因此汽车行业对超高强度紧固件有迫切的需求。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。国外超高强度紧固件已经形成了相应的设计规范（如VDA 235-205），相比之下，我国相关产品技术和标准严重滞后，急需制定相关的规范。为了促进国产紧固件及材料的高端化发展，上海大学材料学院董瀚教授带领的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”要求开展基础件相关工作。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19.8级超高强度紧固件，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，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。本项目通过“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，精细控制钢材生产全流程，获得高的洁净度、高的均匀度和高的组织度。通过优化热处理工艺，利用M2C二次硬化原理进一步提高强度（如图1），同时改善氢致延迟断裂性能，从而成功研发出满足服役性能的超高强度紧固件用B17.8及B19.8钢。
本项目利用龙凤山铸业生产的高纯铁原料进行冶炼，控制钢的纯净度，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。主要创新性进展：1、形成紧固件用钢超高强化组织调控技术。通过调控奥氏体晶粒尺寸、细化基体组织，在此基础上通过合金化及热处理工艺优化，获得纳米级M2C析出相进一步强化，使紧固件用钢获得良好的强度和塑韧性匹配，满足16.8和19.8级紧固件性能要求。2、形成氢陷阱与强化界面的降低延迟断裂敏感性技术。在基体中导入密集细小的氢陷阱，结合晶界偏聚元素强化晶界，有效阻碍了氢的扩散和偏聚，显著提高耐延迟断裂性能。3、形成了夹杂物性态控制的提高抗疲劳破坏性能技术。通过控制杂质元素总量≤100 ppm和有害低熔点元素总量≤300ppm的高纯净度控制方法，控制夹杂物性态与空间分布，有效地减少了疲劳裂纹源。
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，16.8级和19.8级紧固件实物如图2所示。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。
