熱處理對(duì)提高螺栓疲勞強(qiáng)度的影響

螺栓的疲勞強(qiáng)度一直以來(lái)都是受到重視的問(wèn)題，有數(shù)據(jù)表明螺栓的失效絕大多數(shù)是由于疲勞破壞引起的，且疲勞破壞時(shí)螺栓幾乎無(wú)征兆，因此重大事故很容易在產(chǎn)生疲勞破壞時(shí)發(fā)生。熱處理能夠優(yōu)化緊固件材料性能，使其疲勞強(qiáng)度提高，針對(duì)高強(qiáng)度螺栓越來(lái)越高的使用要求，通過(guò)熱處理提高螺栓材料的疲勞強(qiáng)度更顯重要。

1、材料疲勞裂紋的萌生

疲勞裂紋先開(kāi)始的地方稱為疲勞源，疲勞源對(duì)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(gè)晶粒尺寸內(nèi)，螺栓表面質(zhì)量問(wèn)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(cuò)和一些合金元素或雜質(zhì)，晶界強(qiáng)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(qiáng)度。

2、脫碳對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

螺栓表面脫碳會(huì)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(qiáng)度。GB/T3098.1標(biāo)準(zhǔn)中就有針對(duì)螺栓性能的脫碳試驗(yàn)，并規(guī)定脫碳層深度。大量的文獻(xiàn)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(qiáng)度降低。在分析42CrMoA風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)度螺栓斷裂失效原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)在頭桿交接處是因?yàn)榇嬖诿撎紝?。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(qiáng)度，容易引發(fā)微裂紋。在熱處理過(guò)程中控制好加熱溫度，同時(shí)必須采用可控氣氛保護(hù)加熱能夠很好地解決這一問(wèn)題。

3、熱處理對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

在對(duì)螺栓疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)提高螺栓的靜載荷承受能力可通過(guò)提高硬度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而疲勞強(qiáng)度的提高并不能通過(guò)提高硬度的方法。因?yàn)槁菟ㄓ腥笨趹?yīng)力會(huì)引起較大的應(yīng)力集中，對(duì)于沒(méi)有應(yīng)力集中的樣品提高硬度是能夠提高其疲勞強(qiáng)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(qiáng)度、塑性的大小。螺栓表面的應(yīng)力集中會(huì)降低其表面強(qiáng)度，在受到交變的動(dòng)載荷時(shí)，在缺口應(yīng)力集中部位不斷發(fā)生微變形和恢復(fù)的過(guò)程，且其受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)應(yīng)力集中的部位，從而容易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。

緊固件通過(guò)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(qiáng)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(xì)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(xiàng)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(kuò)展。

4、結(jié)論

疲勞裂紋總是萌生于材料中薄弱環(huán)節(jié)，螺栓因?yàn)楸砻婊虼伪砻娴娜毕萑菀桩a(chǎn)生裂紋，材料內(nèi)部容易產(chǎn)生駐留滑移帶、晶界、表面夾雜物或第二相顆粒、空洞處，因?yàn)檫@些位置容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。

熱處理對(duì)螺栓材料疲勞強(qiáng)度的影響較大，在熱處理過(guò)程中，要根據(jù)螺栓性能來(lái)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(zhǎng)遠(yuǎn)看能夠節(jié)約資源，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。