大规格高强度紧固件在低温工况条件下性能和生产工艺探讨.doc

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-40C 至・50C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20o o o o o 8 6 4 2ofo o o8 6 4 2 0.智能紧固件及紧固工具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：4=^exP[^(r-r)]Z=Xexp[^(F-T)][顼(寄归式中，和《为合金钢材在广温度下的屈服强度和抗拉强度，”和心为与温度无 关的常数。

一密为300K (+26.85P)温度下的冲击功，B为与E犒类满副在清痞蓟工具上述公式可以看出，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，故己经慢慢被淘汰，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-50C下，不同材质不同热处理条件下M56的低温冲击试验，见下表：低温冲击功（J）螺栓材质淬火介质31.8、32、41.542CrMoA水69、74、77.8、78、78.8、8540CrNiMoA油从上表的可以看出，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，螺纹轴牙是关键工艺之一，螺纹轴牙俗称制丝、滚牙螺纹辗牙一般有两种方法，一是先热处理再辗牙， 二是先辐牙再热处理很多人知道先辐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辐牙方法后高强度螺栓疲劳极 限之间的区别1. 参考《VDI 2230 Systematic calculation of high duty bolted joints Joints with on cylindrical bolt＞（简称 VDI 2230）第 5.5.3 部分：1） 交变循环次数大于等于2*1（^情况下，螺栓疲芳极限参考下列公式关系：1^0b技r =0.85（—+ 45）先辐牙再热处理情况下，螺栓疲芳极限参考公式：■ d先热处理再辐牙情况下，螺栓疲芳极限参考公式：外 lain式中，马表示螺栓平均载荷，乌姑表示在％的弹性极限下的螺栓预紧力2） 大于疲劳强度的应力幅的交变循环次数只有几千次的情况下，螺栓疲劳极限参考 下列公式关系：先辐牙再热处理情况下，螺栓疲劳极限参考公式：•（寻）”先热处理再辐牙情况下，螺栓疲劳极限参考公式：。

也沽=区攻（孕）"式中，Nq表示连续载荷下交变循环次数,3；表示大于疲三"强辜询辱都耳为禀鄂肯景次数上述两种情况均可明显看出，先热处理再辐牙情况下高强度螺栓的疲劳极限大于先辐 牙再热处理的高强度螺栓2. 参考德国劳氏船级社《Guideline For the Certification of Wind Turbines 2010》（简称 GL2010）第5.3.3.5部分:先辐牙再热处理情况下，螺栓疲劳极限参考71MPa先热处理再辐牙情况下，螺栓疲劳极限参考公式：71*（2-令生）《85"为式中，表示极限载荷下的螺栓最大预紧力，心和表示在・2%的弹性极限下的 蝶栓预紧力上述也可看出,先热处理再辐牙情况下高强度螺栓的疲劳极限大于先辐牙再热处理的 高强度螺栓通过对上述两个规范的解读，可以认为高强度螺栓先热处理再辐牙拥有比先辐牙再热 处理拥有更高的极限疲劳强度，但是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，选择性价比较高的辐牙方法L驾能紫固件及紧固工具五、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。