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热处理工艺对提高螺栓疲劳强度的影响

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  一直以来,汽车紧固件就以品种繁多、型式多样、规格不一的基本特征为主,它的选择和使用涉及到结构分析、连接设计、失效与疲劳分析、腐蚀要求和装配方法,以及相关的产品质量控制与试验等,这些因素在很大程度上决定了汽车产品的最终质量与可靠性。

  汽车高强度螺栓的疲劳寿命一直是受到重视的问题,数据表明螺栓的失效绝大多数是由于疲劳破坏引起的,且疲劳破坏时螺栓几乎无征兆,因此重大事故很容易在产生疲劳破坏时发生。热处理能够优化紧固件材料性能,使其疲劳强度提高,针对高强度螺栓越来越高的使用要求,通过热处理提高螺栓材料的疲劳强度更显十分重要。

  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。

  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。在分析35CrMo轮毂螺栓断裂失效原因时,发现在螺纹与杆部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。

  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。

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