抗疲劳制造技术在高强度螺栓生产中的应用.doc

抗疲劳制造技术在高强度螺栓生产中的应用 上海金马高强紧固件有限公司 引言 螺栓是将两个或两个以上的零件（或构件）连接紧固成为一个整体时所采用的一类机械零件，是国民经济各部门应用范围最广，使用数量最多的机械基础件。随着机械设备、车辆船舶、飞机卫星、铁路桥梁和建筑结构等的不断发展，人们对螺栓及其用钢提出了越来越高的要求，如螺栓应具有高强度、高效率、长寿命、低成本和优良的成型性等，高强度螺栓也由此应运而生。同时，现代科学技术的高速发展，现代工业设备要求在高温、高速、高压等条件应用的场合越来越多，承受的交变应力也越来越高，疲劳破坏问题日益严重。 金属材料无论是塑性材料还是脆性材料，疲劳破坏都是突然发生的，事先没有明显的塑性变形和事故征兆，因此，这种破坏具有很大危险性。很多机械零部件的主要破坏方式都是疲劳破坏，而且遍布在工业、交通、军事等重要部门，给交通运输、动力机械和航空航天造成严重威胁。据统计，在现代工业的各个领域中，约50-90%的结构强度破坏，都是由于疲劳破坏造成的，如齿轮、螺栓、压力容器和汽轮机叶片等。因此，认识疲劳，了解疲劳破坏的原理，探求抗疲劳制造的途径方法并去指导现代工业技术的发展，已经成为现代工业生产中的重要课题之一。 1 抗疲劳制造技术的发展 1.1 抗疲劳制造技术 1964年国际标准化组织（ISO）在《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义：金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳。所谓的抗疲劳制造技术是指在不改变零件材料和截面尺寸的前提下，通过在制造工艺过程中改变材料的组织及应力分布状态来提高零部件疲劳寿命的制造技术。这种技术的一个突出的特点是不改变零件的结构和材料，不增加材料重量，但能大幅度提高材料的疲劳寿命。 20世纪50年代前,全世界军用飞机基本上采用静强度设计,为建立和发展安全寿命设计技术，美国从1948年起对超高强度钢4340,Al合金2024,Ti合金Ti6A14V,耐热合金In718等构件进行机械加工表面完整性系统研究。1970年美国空军材料实验室(AFML)提出了机械加工构件表面完整性研究报告和指南。1971年美国空军颁布军机安全寿命设计规范MiL-A-008866A(USAF)。把安全寿命设计作为满足空军各种飞机系统合同文件中规定使用寿命要求的基本方法。1974年、1975年先后颁布了损伤容限设计规范MiL-A-8344(USAF)和MiL-A-008866B(USAF)等。我国也于1985年和1989年先后颁布军用飞机安全寿命和损伤容限设计规范。无论是安全寿命或是损伤容限设计,应力集中都是影响高强度合金构件的疲劳性能的敏感问题。从1971年至今的30多年中,表面完整性抗疲劳应用技术持续不断地研究,不仅包括加工工艺参数,新工艺开发,而且涉及工艺模拟和预测以及基本理论探索等。同时,表面完整性评价内容已包括高低倍组织、微观裂纹、变形、各种腐蚀、元素贫化、显微硬度、残余应力、疲劳、应力腐蚀及其他力学性能等试验。检测采用扫描、透射、高分辨电镜及各种表面层组织、应力结构无损检测等现代技术。 表面超硬化、超声喷丸和激光冲击改性技术被誉为20世纪80年代以来最重要的应用技术,其地位可与同期材料界中单晶合金和金属基复合材料相当。表面超硬化是近年发展的一种高耐磨、高接触疲劳性能的表面浸渗硬化技术。超声喷丸是一种利用超声高能丸粒撞击表面改性技术。激光冲击是一种高能量密度应力波使金属表面层产生胁迫弹塑变形、增加位错密度、提高硬度和疲劳性能等的表面强化方法。 近些年来,新工艺不断发展,主要有高速铣削、车削、磨削,低应力磨削、预拉应力磨削技术;高能表面改性技术;表面超硬化技术;表面完整性评价和精密定量检测技术;加工过程计算机模拟和预测等。研究发展的主要特点是材料技术融合制造、物理、化学、力学等,形成一种多学科交叉的工程学科领域。 1.2 抗疲劳制造技术分类 在目前的生产实践中，有关抗疲劳制造的方法多种多样，这里从物理、化学、机械和高能束处理四个方面对其进行归纳。 图1 抗疲劳制造技术分类 下面具体介绍几种抗疲劳制造方法： 1.2.1 表面淬火方法 通过表面淬火提高金属材料表面的硬度和强度，使材料抗疲劳。其特点是不改变材料表层化学成分，通过表层材料发生组织相变来提高零件的疲劳强度。常用的工艺有火焰加热表面淬火、高频和中频感应加热表面淬火等。表面淬火淬硬层中的马氏体组织很细，获得的硬度和强度比普通整体淬火高，因而具有较好的抗疲劳性能。表面淬火工艺对碳钢件进行疲劳强化，效果明显。但对合金钢件（40Cr合金钢主轴）进行表面淬火试验，淬火后用放大镜检查发现工件表面有微裂纹，因此不宜使用本工艺。 1.2.2 化学热处理方法 利用化学热处理技术通过改变材料表层化学成分，并形成单相或多相的扩散层，大大提高材料