不同热处理工艺对螺栓疲劳强度的影响

2003年第4期
萍乡高等专科学校学报
Jou rnal of P ingx iang Co llege
2003
NO.4
①
不同热处理工艺对螺栓疲劳强度的影响
胡建军　胡　文
(萍乡高等专科学校,江西萍乡　337000)
摘　要:螺栓是机器中不可缺少的紧固件。

一般重要用途的螺栓多用中碳合金钢淬火后高温回火制成,这种螺栓强度较低,往往不能满足机器大功率的要求。

目前国内外广泛采用低碳马氏体钢代替中碳合金钢生产重要用途的螺栓。

一般钢材抗拉强度较高时,疲劳缺口敏感性也较大,尤其螺栓应力集中较高,因此必须了解螺栓的抗拉强度和疲劳强度的关系。

试验结果说明:增加螺栓的硬度,能显著提高螺栓的静荷承载能力,但疲劳强度没有得到改善。

关键词:螺栓;热处理工艺;疲劳强度
一、前言
一些重要的螺栓如航空发动机、汽车、拖拉机上的连杆螺栓、缸盖螺栓等,国内较多采用中碳合金钢40C r、35C r M o、40C r N i M o钢等制造。

由于采用过高地要求韧性而牺牲强度的淬火后高温回火工艺,零件硬度比较低,螺栓在装拆和服役过程中造成滑扣以及早期断裂等现象而失效。

另外,这类中碳合金钢冶金合格率也较低,工艺性能差,冷镦开裂严重,废品率较高。

这就不利于提高生产率和降低原材料消耗。

由于低碳马氏体钢冶金合格率较高,冷镦工艺性能好。

因此,国内普遍采用低碳马氏体钢生产重要用途的螺栓。

众所周知,螺栓的破坏大部分是疲劳破坏,而螺栓又是多缺口易于应力集中的零件。

过高地要求螺栓的使用强度,即抵抗静拉能力提高了,而动载疲劳强度是否随着抗拉强度增加而提高,是值得人们关注的。

因此,作者进行了不同热处理工艺对螺栓疲劳强度影响的试验。

二、试验材料及试验方法
试验材料为35、40C r、20C r及15M nVB四个钢种。

将直径为25毫米的热轧棒料加工成直径为10.5毫米的拉力试棒和经冷拔、冷镦及滚丝成型的M12普通螺栓。

并按表1所示进行不同工艺热处理,然后将拉力试棒外径磨至10毫米,最后进行拉力和疲劳试验。

螺栓受力一般是拉伸载荷,工作复杂的螺栓又承受反复动载作用的应力,所以采用大拉—小拉方式进行疲劳试验。

试验是在长春材料试验机研究所生产的PL—1—型电磁激振式高频疲劳试验机上进行。

试验时最小应力(Ρm in)为200M Pa,试验频率(n)为14500次 分。

三、试验结果及分析
①收稿日期:2003-10-24
四个钢种不同热处理工艺的试棒和螺栓的抗拉强度和疲劳试验结果如表1和图1所示。

从表1可见:四个钢种的试棒当硬度增加时,抗拉强度(Ρb)也随着提高,螺栓同试棒的规律相似,增加硬度能显著提高螺栓的抗拉强度(Ρb,H)。

因为静荷对缺口不敏感,同时又没有偏斜,所以材料硬度越高,抗拉强度也就越大。

从图1疲劳试验结果可以看出:35、40C r、15M nVB三个钢种的螺栓硬度增加,疲劳强度基本没有改变,疲劳过负荷敏感没有多大差异。

20C r钢螺栓硬度增加时疲劳强度略有提高,但不显著。

将四个不同钢种的螺栓疲劳强度,光滑试棒和螺栓的抗拉强度数据加以整理,得出不同硬度时对螺栓性能影响曲线如图2所示。

表1样品和螺栓的热处理工艺及其机械性能试验结果
序号钢号热 处 理
硬　度
(HRC)抗拉强度(kgf mm2)光滑试棒螺栓
ΡbΡb,H
1
2 335
不热处理1667.571 860℃保温30分钟淬水,320℃回火39.5124126
860℃保温30分钟淬水,480℃回火309798
4
5 640C r
860℃保温30分钟淬油,500℃回火37-39121130
860℃保温30分钟淬油,550℃回火33-35109112
860℃保温30分钟淬油,590℃回火28-309698
7
8 920C r
860℃保温30分钟淬水,200℃回火44-47153168
860℃保温30分钟淬水,350℃回火41-44135148
860℃保温30分钟淬水,450℃回火37-39122130
10
11 1215M nVB
880℃淬入8%N aOH水溶液,200℃回火42131145
880℃淬入8%N aOH水溶液,400℃回火38116119
880℃淬入8%N aOH水溶液,600℃回火268587
从图2更清晰地看出:不论中碳钢、中碳合金钢或低碳马氏体钢,增加硬度只能显著提高螺栓的静荷承受能力,而对疲劳强度没有改变或改变较小。

其次,15M nVB低碳马氏体钢淬火后低温回火(200℃)的抗拉强度和螺栓的承载能力比40C r钢淬火后高温回火(590℃)分别高30%和45%以上,从而显示出低碳马氏体钢高强度螺栓的优越性。

增加螺栓的硬度后,疲劳强度为什么得不到改善呢?根据有关资料介绍,象螺栓这样应力集中较高的零件,应力集中的不利影响大于增加硬度而提高螺栓疲劳强度的有利效果,因此改变硬度不能起到改善螺栓疲劳强度的作用。

・
9
4
・
　第四期 萍乡高等专科学校学报
图1
　四种钢材不同硬度时的螺栓疲劳性能曲线
图2　四种钢材不同硬度对试棒和螺栓的机械性能的影响
我们可以从图3看出:提高钢材的抗拉强度(或硬度)。

对无应力集中的试样疲劳强度能显著增加,但对应力集中较大的构件,如螺栓、
带键槽之类的零件,增加硬度对零件的疲劳强度提高不明显或不增加,当零件在腐蚀条件下工作
时其疲劳强度提高更不明显了。

(下转75页)・05・萍乡高等专科学校学报 第四期　
参考文献:[1]钦征骑等.新型陶瓷材料手册[M ].第一版.南京:江苏科学技术出版社,1996,488,495-497.
[2]文忠和,李建保等.石英加入量对石英
网眼多孔陶瓷物相组成和显微结构的影响[J ].机械工程材料,2003,(11):36-38.
[3]段曦东多孔陶瓷的制备、性能及应用[J ].陶瓷研究,1999,14(3):12-17.[4]朱小龙,苏雪筠.多孔陶瓷材料[J ].中国陶瓷,2000,36(4):36-39.
[5]韩永生,李建保等.多孔陶瓷材料应用
及制备的研究进展[J ].材料导报,2002,16
(3):26-29.
[6]Conno lly et al U .S .
Pat .
N o .
5603553,Feb ruary 25,1997.[7]Faber et al U .S .Pat .N o .5641332,
June 24,1997.
[8]Kaw am u ra U .S .Pat .N o .5651250,Ju ly 29,1997.
[9]国家高技术新材料领域专家委员会.
材料导报,13(1999):1.
[10]陈俊彦译.日本工业调查会.最新精细陶瓷技术[M ],第一版.北京:中国建筑工业出版社,1986,81.
[11]Zam am J ,et al .J M em b r Sci ,1994,92:1.
[12]周健儿等.无机材料分离膜的研究与应用[J ].中国陶瓷工业,1999,(3):16.
[13]袁启华等.超微粒子制备技术在功能
陶瓷材料制造中的应用[J ].硅酸盐通报,1996,(6):47.
责任编辑:肖素萍　
(上接50页
)
如果螺栓先热处理后滚丝成型,这样在螺栓的内部产生较大的残余压应力,从而减缓裂纹的形成及发展,因而提高螺栓的疲劳强度,硬度越高效果越明显。

四、结论
1.增加硬度能显著提高螺栓的静荷承载能力,但由于螺栓系多缺口零件,应力集中较大,应力集中的不利影响大于增加硬度的有利效果,所以增加硬度对螺栓的疲劳强度没有得到改善。

2.低碳马氏体钢螺栓的疲劳强度与中碳马氏体钢调质处理(高温回火时)高30%以上,所以低碳马氏体钢制造的螺栓能承受较高的预紧力,从而防止螺栓在工作中产生松动而逐渐疲劳破坏。

因此国内很多工厂采用低碳马氏体钢代替中碳马氏体钢制造重要用途的螺栓。

责任编辑:何　萍　
・
57・　第四期 萍乡高等专科学校学报。