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那么,熱處理能夠提升緊固件材料性能嗎?使其疲勞強度提高多少?針對高強度螺栓越來越高的使用要求,通過熱處理提高螺栓材料的疲勞強度更顯十分重要。
一、高強度螺栓的材料疲勞裂紋:
疲勞裂紋最先開始的地方稱為疲勞源。疲勞源對于螺栓微觀結(jié)構(gòu)組織很敏感,能在很小的尺度下萌生疲勞裂紋。一般在3~5個晶粒尺寸內(nèi),螺栓表面質(zhì)量問題是主要的疲勞源,大部分的疲勞始于螺栓表面或者亞表面。螺栓材料晶體內(nèi)部存在的大量位錯和一些合金元素或雜質(zhì),晶界強度差異,這些因素都有可能導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。研究表明,疲勞裂紋易發(fā)位置有:晶界、表面夾雜物或第二相顆粒、空洞,這些位置都與材料復(fù)雜多變的微觀組織有關(guān)。如果熱處理后能夠改善微觀組織,那么就能在一定程度上提高螺栓材料的疲勞強度。
二、熱處理對疲勞強度的影響
在對螺栓疲勞強度進行分析時,發(fā)現(xiàn)提高螺栓的靜載荷承受能力可通過提高硬度來實現(xiàn),而疲勞強度的提高并不能通過提高硬度的方法。因為螺栓有缺口應(yīng)力會引起較大的應(yīng)力集中,對于沒有應(yīng)力集中的樣品提高硬度是能夠提高其疲勞強度的。硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo),是材料抵抗比它更硬物體壓入的能力,硬度高低也同樣反映了金屬材料的強度、塑性的大小。螺栓表面的應(yīng)力集中會降低其表面強度,在受到交變的動載荷時,在缺口應(yīng)力集中部位不斷發(fā)生微變形和恢復(fù)的過程,且其受到的應(yīng)力遠遠大于無應(yīng)力集中的部位,從而容易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。
三、脫碳對疲勞強度的影響
螺栓表面脫碳會降低淬火后螺栓的表面硬度、耐磨性,并顯著降低螺栓疲勞強度。GB/T3098.1標(biāo)準(zhǔn)中就有針對螺栓性能的脫碳試驗,并規(guī)定最大脫碳層深度。大量的文獻資料表明,由于不當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞?使得螺栓表面脫碳和表面質(zhì)量下降,從而使其疲勞強度降低。在分析42CrMoA風(fēng)電機組高強度螺栓斷裂失效原因時,發(fā)現(xiàn)在頭桿交接處是因為存在脫碳層。Fe3C在高溫下能與O2、H2O、H2發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致螺栓材料內(nèi)部Fe3C的減少,從而增加了螺栓材料的鐵素體相,降低螺栓材料強度,容易引發(fā)微裂紋。在熱處理過程中控制好加熱溫度,同時必須采用可控氣氛保護加熱能夠很好地解決這一問題。
緊固件通過熱處理調(diào)質(zhì)改善顯微組織,并具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,可以提高螺栓材料的疲勞強度,合理控制晶粒尺寸以保證低溫沖擊功,也能獲得較高的沖擊韌性。合理的熱處理細化晶粒,縮短晶界距離能阻止疲勞裂紋的產(chǎn)生,在材料內(nèi)部如果存在一定量的晶須或第二項顆粒,這些加入的相便可以在一定程度上阻止駐留滑移帶的滑移,從而阻止了微裂紋的萌生和擴展。
熱處理對螺栓材料疲勞強度的影響較大,在熱處理過程中,要根據(jù)螺栓性能來具體確定熱處理工藝。初始疲勞裂紋的產(chǎn)生是由于螺栓材料微觀組織缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中引起的。熱處理是一種優(yōu)化緊固件組織的方法,能在一定程度上提高螺栓材料的疲勞性能,提高產(chǎn)品的壽命。從長遠看能夠節(jié)約資源,符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
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