Únavová sílavysokopevnostní šroubybyla vždy důležitá otázka. Data ukazují, že většina selhání vysokopevnostních šroubů je způsobena únavovým poškozením a neexistují téměř žádné známky poškození únavou šroubů, takže při výskytu únavového poškození pravděpodobně dojde k velkým nehodám.
Může tedy tepelné zpracování zlepšit výkon spojovacích materiálů? Jak moc může zvýšit svou únavovou sílu? S ohledem na rostoucí požadavky na použití vysokopevnostních šroubů je ještě důležitější zlepšit únavovou pevnost materiálů šroubů tepelným zpracováním.
1. Materiálové únavové trhliny s vysokou pevnostíšrouby:
Místo, kde poprvé začínají únavové trhliny, se nazývá zdroj únavy. Zdroj únavy je velmi citlivý na mikrostrukturu šroubů a může iniciovat únavové trhliny ve velmi malém měřítku. Obecně v rozmezí 3 až 5 velikostí zrn je kvalita povrchu šroubu hlavním zdrojem únavy a většina únavy začíná na povrchu nebo podpovrchu šroubu. Velký počet dislokací a některé legující prvky nebo nečistoty v krystalu materiálu šroubu a rozdíly v pevnosti na hranicích zrn, tyto faktory mohou vést k iniciaci únavové trhliny. Studie ukázaly, že únavové trhliny se mohou vyskytovat na hranicích zrn, povrchových inkluzích nebo částicích druhé fáze a dutinách, z nichž všechny souvisí se složitou a proměnlivou mikrostrukturou materiálů. Pokud lze mikrostrukturu zlepšit po tepelném zpracování, lze do určité míry zlepšit únavovou pevnost materiálu šroubu.
2. Vliv tepelného zpracování na únavovou pevnost
Při analýze únavové pevnosti šroubů bylo zjištěno, že zlepšení statické únosnosti šroubů lze dosáhnout zvýšením tvrdosti, ale zlepšení únavové pevnosti nelze dosáhnout zvýšením tvrdosti. Protože vrubové napětí šroubu způsobí velkou koncentraci napětí, zvýšení tvrdosti vzorku bez koncentrace napětí může zlepšit jeho únavovou pevnost. Tvrdost je index pro měření měkkosti a tvrdosti kovových materiálů a je to schopnost materiálů odolávat vniknutí předmětů tvrdších než on. Úroveň tvrdosti také odráží pevnost a plasticitu kovových materiálů. Koncentrace napětí na povrchu šroubu sníží jeho povrchovou pevnost. Při vystavení střídavému dynamickému zatížení bude proces mikrodeformace a zotavení nadále probíhat v části vrubu s koncentrací napětí a napětí, které obdrží, je mnohem větší než u části bez koncentrace napětí, takže je snadné vést ke vzniku únavových trhlin.
3. Vliv oduhličení na únavovou pevnost
Oduhličení povrchu šroubu sníží povrchovou tvrdost a odolnost proti opotřebení šroubu po kalení a výrazně sníží únavovou pevnost šroubu. V normě GB/T3098.1 je test oduhličení pro výkon šroubu a je specifikována maximální hloubka oduhličení. Z velkého množství literatury vyplývá, že v důsledku nesprávného tepelného zpracování dochází k oduhličení povrchu šroubu a snížení kvality povrchu, čímž se snižuje jeho únavová pevnost. Při analýze příčiny lomového selhání vysokopevnostních šroubů ve větrných turbínách 42CrMoA bylo zjištěno, že na spoji hlavy a táhla byla dekarbonizační vrstva. Fe3C může reagovat s O2, H2O a H2 při vysoké teplotě, což vede k redukci Fe3C uvnitř materiálu šroubu, čímž se zvyšuje feritová fáze materiálu šroubu, snižuje se pevnost materiálu šroubu a snadno dochází k mikrotrhlinám. Řízení teploty ohřevu v procesu tepelného zpracování a použití řízené atmosféry k ochraně ohřevu může tento problém dobře vyřešit.
Spojovací prvky zlepšují mikrostrukturu prostřednictvím tepelného zpracování a temperování a mají vynikající komplexní mechanické vlastnosti, které mohou zlepšit únavovou pevnost materiálů šroubů, přiměřeně řídit velikost zrna, aby byla zajištěna energie nárazu při nízké teplotě, a mohou také získat vysokou rázovou houževnatost. Rozumné tepelné zpracování zjemňuje zrna a zkracuje vzdálenost mezi zrny, aby se zabránilo vzniku únavových trhlin. Pokud je uvnitř materiálu určité množství whiskerů nebo druhých částic, mohou tyto přidané fáze do určité míry zabránit rezidentnímu skluzu. Prokluzování pásu zabraňuje iniciaci a šíření mikrotrhlin.
Tepelné zpracování má velký vliv na únavovou pevnost materiálů šroubů. Během procesu tepelného zpracování by měl být proces tepelného zpracování určen podle výkonu šroubu. Vznik počátečních únavových trhlin je způsoben koncentrací napětí způsobenou defekty v mikrostruktuře materiálu šroubu. Tepelné zpracování je metoda optimalizace struktury spojovacích prvků, která může do určité míry zlepšit únavové vlastnosti materiálů šroubů a zlepšit životnost výrobků. Z dlouhodobého hlediska může šetřit zdroje a podřídit se strategii udržitelného rozvoje.
