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标准与技术

大规格高强度紧固件在低温工况条件下的性能及生产工艺探讨

发布时间:2018-05-13   来源:智能紧固件  

  一、范围

  总所周知,在低温环境下,金属材料的力学性能和物理性能均会受到不同程度的影响(性能下降)。低温概念范围有点模糊,本文以-40℃至-50℃为温度范围,高强度紧固件以M48、M56规格作为探讨对象。

  二、低温对金属材料力学性能的影响

  下图是最常见的低温韧脆转变温度示意图,常见于冲击类标准、规范和各类书籍中。


低温韧脆转变温度示意图

  低温对合金钢材的力学指标影响非常大,随着温度的降低,其抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、断后伸长率、规定非比例延伸0.2%应力、AKV2冲击性能等均会有不同程度的降低,弹性模量会有不同程度的增加,一般不会超过10%,并趋于稳定。冷脆断裂属于脆性破坏,断前无明显伸长、弯曲、缩颈等塑性变形特征,断口平整,在力学特性上呈现出非线性特征。冷脆断裂行为时间短危害大,目前尚无有效手段对其进行预判。

  注:并非所有金属材料在低温下都有低温冷脆现象,是否会发生冷脆现象跟金属材料的晶格类型有关,限于篇幅,这方面就不展开说了。

  针对温度变化对强度的影响,前人做了大量的试验,并根据实验数据结果推导出合金钢材的屈服强度、抗拉强度和冲击功随温度变化的近似公式:


  上述公式可以看出,屈服强度、抗拉强度和冲击功都随温度降低而降低,且根据大量文献中提及的实测数据,实测屈服强度的下降速率大于抗拉强度下降速率,即屈强比也随着温度降低而降低。塑性指标伸长率和断面收缩率也都随温度降低而降低。

  热处理介质、降温速度

  三、大规格高强度螺栓热处理工艺

  高强度螺栓的生产工艺大同小异,其中热处理工艺是核心工艺之一,大规格高强度螺栓热处理一般采用盐浴炉、多功能炉、网带炉等设备。盐浴炉曾在紧固件、模具钢、铝合金等行业有大量应用,但由于污染比较大且对工人健康有一定危害,故已经慢慢被淘汰,目前多功能炉、网带炉为主流设备。

  热处理工艺过程中除了控制温度时间热处理曲线图来获取目标金相组织和力学性能之外,还须注意对淬火介质、淬火速度的选择。例如10.9级M56这种大规格高强度紧固件,有些人选择42CrMo+水淬,有些人选择40CrNiMoA+油淬。水淬的速率更快,成本更低,油淬成本相对高一些,当然油淬也可以选择冷却速度特别快超速油火淬。但是为什么有人会选择成本更高的油淬呢?

  本人做了一组-50℃下,不同材质不同热处理条件下M56的低温冲击试验,见下表:

  从上表的可以看出,采用42CrMo+水淬和40CrNiMoA+油淬,在低温下均可做到符合国家标准和行业规范的要求。但两者之间的性能差异非常明显,故设计人员应根据项目实际工况的需求,在满足设计要求的前提下,选择性价比较高的材质及热处理工艺。

  四、生产工艺

  高强度螺栓的生产工艺过程中,螺纹辊牙是关键工艺之一,螺纹辊牙俗称制丝、滚牙。螺纹辊牙一般有两种方法,一是先热处理再辊牙,二是先辊牙再热处理。很多人知道先辊牙再热处理成本相对低一些,但是不是很明白两种方法对螺栓机械性能的影响,下列分别从VDI 2230和GL 2010两个规范来浅谈两种辊牙方法后高强度螺栓疲劳极限之间的区别。



  五、总结

  受本人水平和篇幅的限制,不足之处请各位多多提出、指正。在低温工况条件下,大规格高强度紧固件的性能研究及生产工艺研究远远不止上述的内容,还有诸多的地方值得探究,例如夹杂物、晶粒度、合金元素、蠕变、冲击取样位置、偏析、氢脆和脱碳层影响等等。本文仅抛砖引玉,希望能够吸引更多同仁对低温工况条件下高强度紧固件的性能和生产工艺关注与探讨。

  金属材料弹塑性原理是一样的,故本篇探讨不但对低温下高强度螺栓设计及生产制造有一定参考作用,且对钢构件、预应力钢筋、预应力钢绞线等其他金属构件低温型产品的设计及生产制造也有一定参考作用。

  (作者 刘亚)

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