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一、熱處理工藝對(duì)提高螺栓疲勞強(qiáng)度的影響
一直以來(lái)，汽車(chē)緊固件就以品種繁多、型式多樣、規(guī)格不一的基本特征為主，它的選擇和使用涉及到結(jié)構(gòu)分析、連接設(shè)計(jì)、失效與疲勞分析、腐蝕要求和裝配方法，以及相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量控制與試驗(yàn)等，這些因素在很大程度上決定了汽車(chē)產(chǎn)品的最終質(zhì)量與可靠性。
汽車(chē)高強(qiáng)度螺栓的疲勞壽命一直是受到重視的問(wèn)題，數(shù)據(jù)表明螺栓的失效絕大多數(shù)是由于疲勞破壞引起的，且疲勞破壞時(shí)螺栓幾乎無(wú)征兆，因此重大事故很容易在產(chǎn)生疲勞破壞時(shí)發(fā)生。熱處理能夠優(yōu)化緊固件材料性能，使其疲勞強(qiáng)度提高，針對(duì)高強(qiáng)度螺栓越來(lái)越高的使用要求，通過(guò)熱處理提高螺栓材料的疲勞強(qiáng)度更顯十分重要。
1.材料疲勞裂紋的萌生
疲勞裂紋最先開(kāi)始的地方稱(chēng)為疲勞源，疲勞源對(duì)于螺栓微觀結(jié)構(gòu)組織很敏感，能在很小的尺度下萌生疲勞裂紋，一般在3～5個(gè)晶粒尺寸內(nèi)，螺栓表面質(zhì)量問(wèn)題是主要的疲勞源，大部分的疲勞始于螺栓表面或者亞表面。螺栓材料晶體內(nèi)部存在的大量位錯(cuò)和一些合金元素或雜質(zhì)，晶界強(qiáng)度差異，這些因素都有可能導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。研究表明，疲勞裂紋易發(fā)位置有：晶界、表面夾雜物或第二相顆粒、空洞，這些位置都與材料復(fù)雜多變的微觀組織有關(guān)。如果熱處理后能夠改善微觀組織，那么就能在一定程度上提高螺栓材料的疲勞強(qiáng)度。
2.脫碳對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
螺栓表面脫碳會(huì)降低淬火后螺栓的表面硬度、耐磨性，并顯著降低螺栓疲勞強(qiáng)度。GB/T3098.1標(biāo)準(zhǔn)中就有針對(duì)螺栓性能的脫碳試驗(yàn)，并規(guī)定最大脫碳層深度。在分析35CrMo輪轂螺栓斷裂失效原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)在螺紋與桿部交接處是因?yàn)榇嬖诿撎紝�。Fe3C在高溫下能與O2、H2O、H2發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致螺栓材料內(nèi)部Fe3C的減少，從而增加了螺栓材料的鐵素體相，降低螺栓材料強(qiáng)度，容易引發(fā)微裂紋。在熱處理過(guò)程中控制好加熱溫度，同時(shí)必須采用可控氣氛保護(hù)加熱能夠很好地解決這一問(wèn)題。
3.熱處理對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響
螺栓表面的應(yīng)力集中會(huì)降低其表面強(qiáng)度，在受到交變的動(dòng)載荷時(shí)，在缺口應(yīng)力集中部位不斷發(fā)生微變形和恢復(fù)的過(guò)程，且其受到的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)應(yīng)力集中的部位，從而容易導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生。
緊固件通過(guò)熱處理調(diào)質(zhì)改善顯微組織，并具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，可以提高螺栓材料的疲勞強(qiáng)度，合理控制晶粒尺寸以保證低溫沖擊功，也能獲得較高的沖擊韌性。合理的熱處理細(xì)化晶粒，縮短晶界距離能阻止疲勞裂紋的產(chǎn)生，在材料內(nèi)部如果存在一定量的晶須或第二項(xiàng)顆粒，這些加入的相便可以在一定程度上阻止駐留滑移帶的滑移，從而阻止了微裂紋的萌生和擴(kuò)展。
二、熱處理用淬火介質(zhì)與加工介質(zhì)
汽車(chē)高強(qiáng)度緊固件在技術(shù)上有一系列特點(diǎn)：高精度等級(jí)；服務(wù)條件嚴(yán)酷，它將隨主機(jī)一起常年經(jīng)受?chē)?yán)寒和極端溫差的影響，承受高溫、低溫的侵蝕；靜載、動(dòng)載、超載、重載和環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，除受到軸向預(yù)緊拉伸載荷的作用外，還會(huì)在工作中受到附加的拉伸交變載荷、橫向剪切交變載荷或由此復(fù)合而成的彎曲載荷的作用，有時(shí)還受到?jīng)_擊載荷；附加的橫向交變載荷會(huì)引起螺栓的松動(dòng)，軸向交變載荷會(huì)引起螺栓的疲勞斷裂，軸向拉伸載荷會(huì)引起螺栓的延遲斷裂，以及高溫條件下引起螺栓的蠕變等。
大量的失效螺栓表明，服役中為沿螺栓頭部與桿部的過(guò)渡處斷裂；沿螺栓桿部螺紋與桿部交接處被拉斷；還有沿螺紋部分滑扣。金相分析：螺栓表面與心部有較多未溶鐵素體，在淬火奧氏體化不充分，基體強(qiáng)度不夠和應(yīng)力集中是失效的重要原因之一。為此，保證螺栓截面淬透和組織均勻性是非常重要的環(huán)節(jié)。
淬火油的功能是將赤熱的金屬螺栓的熱量迅速帶走，使之降至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下獲得高硬度的馬氏體組織和硬化層深度，同時(shí)亦要兼顧減少螺栓的變形和防止開(kāi)裂。因此淬火油的基本特性就是“冷卻特性”，其特點(diǎn)就是高溫階段的冷速較快，而低溫階段冷速較慢，這一特性很適合合金結(jié)構(gòu)鋼≥10.9級(jí)以上高強(qiáng)度螺栓的淬火要求。
快速淬火油在使用中因產(chǎn)生熱分解，氧化和聚合反應(yīng)，從而導(dǎo)致冷卻特性的變化，油中含有微量水分將嚴(yán)重影響油的冷卻性能，造成淬火后緊固件光亮度下降，硬度不均，產(chǎn)生軟點(diǎn)甚至開(kāi)裂傾向。研究表明，油淬產(chǎn)生的變形問(wèn)題部分是因油中含水造成的。此外，油中含水還加速了油的乳化變質(zhì)和促進(jìn)油中添加劑的失效。當(dāng)油中含水量≥0.1%時(shí)，油受到加熱時(shí)有可能使聚集在油槽底部的水達(dá)到沸點(diǎn)后，體積突然膨脹，易造成油溢出淬火油槽而引發(fā)火災(zāi)。
對(duì)于連續(xù)式網(wǎng)帶爐使用的快速淬火油，根據(jù)3個(gè)月間隔試驗(yàn)所積累的淬火特性數(shù)據(jù)，有可能建立油的穩(wěn)定性及淬火特性圖，確定淬火油的合適使用壽命，預(yù)測(cè)與淬火油性能變化有關(guān)的問(wèn)題，從而減少因淬火油性能變化造成的返工或廢品損失，使其成為生產(chǎn)的一種常規(guī)控制方法。而淬透深度直接影響著熱處理后螺栓的質(zhì)量，當(dāng)材料的淬透性較差，冷卻介質(zhì)的冷速較慢而螺栓尺寸又較大時(shí)，淬火時(shí)螺栓心部不可能全部淬成馬氏體組織，降低了心部區(qū)域的強(qiáng)度水平，尤其是屈服強(qiáng)度。這對(duì)于沿整個(gè)截面承受均勻分布拉伸應(yīng)力的螺栓而言，顯然是非常不利的。淬透性不足降低了強(qiáng)度，金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，心部存在先共析鐵素體和網(wǎng)狀鐵素體組織，說(shuō)明螺栓淬透性需要加強(qiáng)。眾所周知，增加淬透性的兩種方式，提高淬火溫度；增加淬火介質(zhì)的淬硬能力，都能有效增加螺栓的淬透深度。
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