熱處理對提高螺栓疲勞強度的影響

2016-07-16 17:03:00
admin
原創
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        螺栓的疲勞強度一直以來都是受到重視的問題,有數據錶明螺栓的失效絶大多數是由於疲勞破壞引起的,且疲勞破壞時螺栓幾乎無徵兆,因此重大事故很容易在産生疲勞破壞時髮生。熱處理能夠優化緊固件材料性能,使其疲勞強度提高,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。

材料疲勞裂紋的萌生
       疲勞裂紋最先開始的地方稱爲疲勞源,疲勞源對於螺栓微觀結構組織很敏感,能在很小的尺度下萌生疲勞裂紋,一般在3~5箇晶粒尺寸內,螺栓錶麵質量問題是主要的疲勞源,大部分的疲勞始於螺栓錶麵或者亞錶麵。螺栓材料晶體內部存在的大量位錯和一些閤金元素或雜質,晶界強度差異,這些因素都有可能導緻疲勞裂紋萌生。研究錶明,疲勞裂紋易髮位置有:晶界、錶麵夾雜物或第二相顆粒、空洞,這些位置都與材料複雜多變的微觀組織有關。如果熱處理後能夠改善微觀組織,那麽就能在一定程度上提高螺栓材料的疲勞強度。

脫碳對疲勞強度的影響
       螺栓錶麵脫碳會降低淬火後螺栓的錶麵硬度、耐磨性,併显著降低螺栓疲勞強度。GB/T3098.1標準中就有針對螺栓性能的脫碳試驗,併規定最大脫碳層深度。大量的文獻資料錶明,由於不當的熱處理方式,使得螺栓錶麵脫碳和錶麵質量下降,從而使其疲勞強度降低。在分析42CrMoA風電機組高強度螺栓斷裂失效原因時,髮現在頭桿交接處是因爲存在脫碳層。Fe3C在高溫下能與O2、H2O、H2髮生反應導緻螺栓材料內部Fe3C的減少,從而增加瞭螺栓材料的鐵素體相,降低螺栓材料強度,容易引髮微裂紋。在熱處理過程中控製好加熱溫度,衕時必鬚採用可控氣氛保護加熱能夠很好地解決這一問題。

熱處理對疲勞強度的影響

        在對螺栓疲勞強度進行分析時,髮現提高螺栓的靜載荷承受能力可通過提高硬度來實現,而疲勞強度的提高併不能通過提高硬度的方法。因爲螺栓有缺口應力會引起較大的應力集中,對於沒有應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,是材料抵抗比牠更硬物體壓入的能力,硬度高低也衕樣反映瞭金屬材料的強度、塑性的大小。螺栓錶麵的應力集中會降低其錶麵強度,在受到交變的動載荷時,在缺口應力集中部位不斷髮生微變形和恢複的過程,且其受到的應力遠遠大於無應力集中的部位,從而容易導緻疲勞裂紋的産生。


        緊固件通過熱處理調質改善顯微組織,併具有優良的綜閤力學性能,可以提高螺栓材料的疲勞強度,閤理控製晶粒尺寸以保證低溫衝擊功,也能穫得較高的衝擊韌性。閤理的熱處理細化晶粒,縮短晶界距離能阻止疲勞裂紋的産生,在材料內部如果存在一定量的晶鬚或第二項顆粒,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,從而阻止瞭微裂紋的萌生和擴展。

結論

        疲勞裂紋總是萌生於材料中最薄弱環節,螺栓因爲錶麵或次錶麵的缺陷容易産生裂紋,材料內部容易産生駐留滑移帶、晶界、錶麵夾雜物或第二相顆粒、空洞處,因爲這些位置容易導緻應力集中。


        熱處理對螺栓材料疲勞強度的影響較大,在熱處理過程中,要根據螺栓性能來具體確定熱處理工藝。初始疲勞裂紋的産生是由於螺栓材料微觀組織缺陷導緻應力集中引起的。熱處理是一種優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,提高産品的壽命。從長遠看能夠節約資源,符閤可持續髮展戰略。
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