热处理对提高螺栓疲劳强度的影响

材料疲劳裂纹的萌生

    疲劳裂纹最先开始的地方称为疲劳源，疲劳源对于螺栓微观结构组织很敏感，能在很小的尺度下萌生疲劳裂纹，一般在3～5个晶粒尺寸内，螺栓表面质量问题是主要的疲劳源，大部分的疲劳始于螺栓表面或者亚表面。螺栓材料晶体内部存在的大量位错和一些合金元素或杂质，晶界强度差异，这些因素都有可能导致疲劳裂纹萌生。研究表明，疲劳裂纹易发位置有：晶界、表面夹杂物或第二相颗粒、空洞，这些位置都与材料复杂多变的微观组织有关。如果热处理后能够改善微观组织，那么就能在一定程度上提高螺栓材料的疲劳强度。

脱碳对疲劳强度的影响

    螺栓表面脱碳会降低淬火后螺栓的表面硬度、耐磨性，并显著降低螺栓疲劳强度。GB/T3098.1标准中就有针对螺栓性能的脱碳试验，并规定最大脱碳层深度。大量的文献资料表明，由于不当的热处理方式，使得螺栓表面脱碳和表面质量下降，从而使其疲劳强度降低。在分析42CrMoA风电机组高强度螺栓断裂失效原因时，发现在头杆交接处是因为存在脱碳层。Fe3C在高温下能与O2、H2O、H2发生反应导致螺栓材料内部Fe3C的减少，从而增加了螺栓材料的铁素体相，降低螺栓材料强度，容易引发微裂纹。在热处理过程中控制好加热温度，同时必须采用可控气氛保护加热能够很好地解决这一问题。

热处理对疲劳强度的影响

    在对螺栓疲劳强度进行分析时，发现提高螺栓的静载荷承受能力可通过提高硬度来实现，而疲劳强度的提高并不能通过提高硬度的方法。因为螺栓有缺口应力会引起较大的应力集中，对于没有应力集中的样品提高硬度是能够提高其疲劳强度的。

    硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是材料抵抗比它更硬物体压入的能力，硬度高低也同样反映了金属材料的强度、塑性的大小。螺栓表面的应力集中会降低其表面强度，在受到交变的动载荷时，在缺口应力集中部位不断发生微变形和恢复的过程，且其受到的应力远远大于无应力集中的部位，从而容易导致疲劳裂纹的产生。

    紧固件通过热处理调质改善显微组织，并具有优良的综合力学性能，可以提高螺栓材料的疲劳强度，合理控制晶粒尺寸以保证低温冲击功，也能获得较高的冲击韧性。合理的热处理细化晶粒，缩短晶界距离能阻止疲劳裂纹的产生，在材料内部如果存在一定量的晶须或第二项颗粒，这些加入的相便可以在一定程度上阻止驻留滑移带的滑移，从而阻止了微裂纹的萌生和扩展。

结论

    疲劳裂纹总是萌生于材料中最薄弱环节，螺栓因为表面或次表面的缺陷容易产生裂纹，材料内部容易产生驻留滑移带、晶界、表面夹杂物或第二相颗粒、空洞处，因为这些位置容易导致应力集中。

    热处理对螺栓材料疲劳强度的影响较大，在热处理过程中，要根据螺栓性能来具体确定热处理工艺。初始疲劳裂纹的产生是由于螺栓材料微观组织缺陷导致应力集中引起的。热处理是一种优化紧固件组织的方法，能在一定程度上提高螺栓材料的疲劳性能，提高产品的寿命。从长远看能够节约资源，符合可持续发展战略。