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标準與技術

大規格高強度緊固件在低溫工況條件下的性能及生產工藝探讨

發布時間:2018-05-13   來源:智能緊固件  

  一、範圍

  總所周知,在低溫環境下,金屬材料的力學性能和物理性能均會受到不同程度的影響(性能下降)。低溫概念範圍有點模糊,本文以-40℃至-50℃為溫度範圍,高強度緊固件以M48、M56規格作為探讨對象。

  二、低溫對金屬材料力學性能的影響

  下圖是最常見的低溫韌脆轉變溫度示意圖,常見于沖擊類标準、規範和各類書籍中。


低溫韌脆轉變溫度示意圖

  低溫對合金鋼材的力學指标影響非常大,随着溫度的降低,其抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率、斷後伸長率、規定非比例延伸0.2%應力、AKV2沖擊性能等均會有不同程度的降低,彈性模量會有不同程度的增加,一般不會超過10%,并趨于穩定。冷脆斷裂屬于脆性破壞,斷前無明顯伸長、彎曲、縮頸等塑性變形特征,斷口平整,在力學特性上呈現出非線性特征。冷脆斷裂行為時間短危害大,目前尚無有效手段對其進行預判。

  注:并非所有金屬材料在低溫下都有低溫冷脆現象,是否會發生冷脆現象跟金屬材料的晶格類型有關,限于篇幅,這方面就不展開說了。

  針對溫度變化對強度的影響,前人做了大量的試驗,并根據實驗數據結果推導出合金鋼材的屈服強度、抗拉強度和沖擊功随溫度變化的近似公式:


  上述公式可以看出,屈服強度、抗拉強度和沖擊功都随溫度降低而降低,且根據大量文獻中提及的實測數據,實測屈服強度的下降速率大于抗拉強度下降速率,即屈強比也随着溫度降低而降低。塑性指标伸長率和斷面收縮率也都随溫度降低而降低。

  熱處理介質、降溫速度

  三、大規格高強度螺栓熱處理工藝

  高強度螺栓的生產工藝大同小異,其中熱處理工藝是核心工藝之一,大規格高強度螺栓熱處理一般采用鹽浴爐、多功能爐、網帶爐等設備。鹽浴爐曾在緊固件、模具鋼、鋁合金等行業有大量應用,但由于污染比較大且對工人健康有一定危害,故已經慢慢被淘汰,目前多功能爐、網帶爐為主流設備。

  熱處理工藝過程中除了控制溫度時間熱處理曲線圖來獲取目标金相組織和力學性能之外,還須注意對淬火介質、淬火速度的選擇。例如10.9級M56這種大規格高強度緊固件,有些人選擇42CrMo+水淬,有些人選擇40CrNiMoA+油淬。水淬的速率更快,成本更低,油淬成本相對高一些,當然油淬也可以選擇冷卻速度特别快超速油火淬。但是為什麼有人會選擇成本更高的油淬呢?

  本人做了一組-50℃下,不同材質不同熱處理條件下M56的低溫沖擊試驗,見下表:

  從上表的可以看出,采用42CrMo+水淬和40CrNiMoA+油淬,在低溫下均可做到符合國家标準和行業規範的要求。但兩者之間的性能差異非常明顯,故設計人員應根據項目實際工況的需求,在滿足設計要求的前提下,選擇性價比較高的材質及熱處理工藝。

  四、生產工藝

  高強度螺栓的生產工藝過程中,螺紋輥牙是關鍵工藝之一,螺紋輥牙俗稱制絲、滾牙。螺紋輥牙一般有兩種方法,一是先熱處理再輥牙,二是先輥牙再熱處理。很多人知道先輥牙再熱處理成本相對低一些,但是不是很明白兩種方法對螺栓機械性能的影響,下列分别從VDI 2230和GL 2010兩個規範來淺談兩種輥牙方法後高強度螺栓疲勞極限之間的區别。



  五、總結

  受本人水平和篇幅的限制,不足之處請各位多多提出、指正。在低溫工況條件下,大規格高強度緊固件的性能研究及生產工藝研究遠遠不止上述的内容,還有諸多的地方值得探究,例如夾雜物、晶粒度、合金元素、蠕變、沖擊取樣位置、偏析、氫脆和脫碳層影響等等。本文僅抛磚引玉,希望能夠吸引更多同仁對低溫工況條件下高強度緊固件的性能和生產工藝關注與探讨。

  金屬材料彈塑性原理是一樣的,故本篇探讨不但對低溫下高強度螺栓設計及生產制造有一定參考作用,且對鋼構件、預應力鋼筋、預應力鋼絞線等其他金屬構件低溫型產品的設計及生產制造也有一定參考作用。

  (作者 劉亞)

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