長期以來，我國高強(qiáng)度螺栓存在壽命短、可靠性差和結(jié)構(gòu)重等三大問題。三大問題嚴(yán)重制約高端機(jī)械裝備發(fā)展和安全服役。高強(qiáng)度螺栓決定了高端機(jī)械裝備主要連接功能，體現(xiàn)機(jī)械裝備壽命、可靠性與經(jīng)濟(jì)可承受能力，是高端機(jī)械制造的核心。

1、高強(qiáng)度螺栓的主要失效模式是疲勞

疲勞是一種在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變的重復(fù)作用下，螺栓一處或幾處發(fā)生開裂或斷裂的失效形式。疲勞包括裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)過程，在低于材料的屈服強(qiáng)度下發(fā)生，在無明顯變形下突然失效。所以，與其它失效形式相比，疲勞是一類最危險(xiǎn)的失效形式之一。

通常，車輛上的連接螺栓為拉-拉疲勞失效。例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組服役環(huán)境復(fù)雜而惡劣，既承受動載荷沖擊又承受腐蝕環(huán)境，所用連接螺栓疲勞斷裂高達(dá)85%。 高強(qiáng)度螺栓的主要失效模式是疲勞，大量的高強(qiáng)度螺栓疲勞失效分析結(jié)果表明，70%以上的疲勞失效源自表面損傷、頭桿交接處脫碳、螺紋加工有明顯的細(xì)小裂縫 或切削加工刀痕不連續(xù)處和表面腐蝕物、淬火組織不均勻，因?yàn)槟莾簯?yīng)力集中度高。這些都與緊固件制造水平有關(guān)。

2、熱處理賦予緊固件材料極限性能

“熱處理”是采用加熱與冷卻方法控制相變，微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力場，賦予材料極限性能和高強(qiáng)度螺栓極限服役性能的工藝技術(shù)。它既是一門理論性很強(qiáng)的科學(xué)， 又是一類實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)。實(shí)踐性很強(qiáng)說的是先進(jìn)熱處理工藝隨著材料和高強(qiáng)度螺栓千變?nèi)f化，而且不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)展、不斷進(jìn)步。高強(qiáng)度螺栓普遍選用高強(qiáng)度 低合金鋼制造?？梢钥吹?，沒有哪個(gè)材料可以離開熱處理，沒有哪個(gè)高強(qiáng)度螺栓不依賴熱處理。需要特別指出熱處理是當(dāng)今賦予材料極限性能的特種技術(shù)之一。

熱處理與制坯技術(shù)、切削技術(shù)不同。冷鐓制坯、鍛造制坯、鑄造制坯和焊接制坯可以制出一定形狀和大尺寸的坯件，十分顯眼。切削加工可以制出各種精密、美觀 的高精度螺栓，極為露眼。而熱處理技術(shù)是緊固件制造的“內(nèi)科學(xué)”， 賦予高強(qiáng)度螺栓的是性能，既不顯山，也不露水。為此，盡管熱處理在高強(qiáng)度螺栓的經(jīng)濟(jì)可承受性鏈條中高出其它技術(shù)價(jià)值很多倍，但卻不被重視。熱處理被邊緣 化、附屬化了；在形式主義、急功近利的踐踏下，熱處理這一材料、高強(qiáng)度螺栓、高端機(jī)械裝備的核心技術(shù)，被排斥在科技規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)之外，得不到重點(diǎn)研究支 持。況且，專業(yè)教育蛻化、專業(yè)人員的流失、匱乏，技術(shù)落后再落后，與國外先進(jìn)水平的差距拉大再拉大。

3、熱處理技術(shù)促進(jìn)高強(qiáng)度螺栓的發(fā)展

熱處理技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，對高強(qiáng)度螺栓、高端機(jī)械裝備的發(fā)展有著十分重要的作用。眾所周知，沒有“化學(xué)成分”不成為材料，沒有“熱處理”同樣不成為材料。但傳統(tǒng)的緊固件制造習(xí)慣中常常認(rèn)識了“化學(xué)成分”的重要性，卻不認(rèn)識熱處理的重要作用和地位。
熱處理工藝按時(shí)間的長短和溫度的高低會帶來不同的效果，不同的熱處理所帶來的緊固件不同的性能提升。

3.1 提高冷鐓鋼的加工性能和加工精度

對 同一種材料來說，如果物理加工與化學(xué)加工的方法和程度不同，也會帶來不同的表征和特性，通常來說可以利用此點(diǎn)作為表面粗糙度調(diào)整的方法，帶來不同形狀、不 同硬度、不同內(nèi)部組織、不同用途的緊固件。在冷鐓工藝當(dāng)中，不同硬度的材料能夠應(yīng)對不同的加工方法，為了適應(yīng)冷鐓加工工作的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)提前改變材料組織 狀態(tài)。

如果退火組織不符合球化等級，材料在冷鐓成型中，當(dāng)變形量大于80%～85%，就有可能造成冷鐓開裂；且有可能發(fā)生表面不平整、 不光潔的情況；硬度過軟則容易變形，無法掌握形狀，而硬度過硬阻礙冷鐓、冷擠和切削加工，損傷模具、刀具，而經(jīng)過預(yù)先熱處理工藝則可避免此現(xiàn)象。

3.2 提高金屬材料的斷裂韌性

金屬材料的斷裂韌性指含有裂紋的材料，在外力作用下抵抗裂紋擴(kuò)展的性能，提高金屬斷裂韌性的關(guān)鍵是要減少金屬晶體中位錯，使金屬材料中位錯密度下降，從 而提高金屬強(qiáng)度、而減少金屬晶體中位錯的一種重要方法，就是細(xì)晶強(qiáng)化，其原理是通過細(xì)化晶粒使晶界所占比例增高而阻礙位錯滑移，從而提高材料的韌性，金屬 組織的細(xì)晶強(qiáng)化的過程實(shí)際上就是金屬熱處理。

3.3 減少金屬材料的應(yīng)力腐蝕開裂

腐蝕開裂是指金屬在物理力與化學(xué)成分侵蝕下產(chǎn)生了不恰當(dāng)?shù)臄嗔?。通常引起這一狀態(tài)的力是殘余拉力，這個(gè)力的形成時(shí)間是在金屬焊接的時(shí)候，在進(jìn)行升溫加熱或冷卻時(shí)，引起溫度的變化導(dǎo)致內(nèi)部組織發(fā)生改變，同時(shí)引起其他力的變化。

淬火內(nèi)應(yīng)力主要有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種。工件最終變形或開裂、應(yīng)力腐蝕都是這兩種應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。工件加熱或冷卻時(shí)由于內(nèi)外溫差導(dǎo)致熱脹冷縮不一致 而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫做熱應(yīng)力；工件在冷卻過程中，由于內(nèi)外溫差造成組織轉(zhuǎn)變不同時(shí)性，引起內(nèi)外比體積的不同變化而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫做組織應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用 下，由于冷卻時(shí)金屬表面溫度低于心部，收縮表面大于心部而使心部受拉應(yīng)力；組織應(yīng)力變化的最終結(jié)果是表層受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力，恰好與熱應(yīng)力相反。金屬 熱處理的熱應(yīng)力與組織應(yīng)力疊加的結(jié)果就是材料中的殘余應(yīng)力，正是其存在造成了應(yīng)力腐蝕開裂。

熱處理工藝在緊固件制造中，對其性能的改變有較為突出的作用。若將熱處理與冷鐓、冷擠、冷沖、部分切削加工密切配合，能夠?qū)o固件的精度以及成品率提升一個(gè)較高的水平。

4、結(jié)語

工業(yè)4.0和中國制造的《2025》在高強(qiáng)度螺栓制造發(fā)展的進(jìn)程中的智能化、綠色化、輕量化，熱處理技術(shù)都扮演著重要角色，未來10年我國緊固件的發(fā) 展，應(yīng)選擇對行業(yè)發(fā)展起著基礎(chǔ)性、突破性作用的工序作為重點(diǎn)加快發(fā)展，重視集成創(chuàng)新是提高企業(yè)核心能力的關(guān)鍵，熱處理發(fā)展將更加呈現(xiàn)個(gè)性化。

開發(fā)新的熱處理工藝提高其性能，或提高熱處理設(shè)備的技術(shù)水平保證熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定性，對于提高緊固件的壽命和可靠性乃至節(jié)能環(huán)保，均具有非常重要的意義和作用。

作者：金蜘蛛緊固件網(wǎng)顧問專家　張先鳴
來源：金蜘蛛緊固件網(wǎng)

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