长期以来,我国高强度螺栓存在寿命短、可靠性差和结构重等三大问题。三大问题严重制约高端机械装备发展和安全服役。高强度螺栓决定了高端机械装备主要连接功能,体现机械装备寿命、可靠性与经济可承受能力,热处理是高强度螺栓的核心,即搞好高强度螺栓热处理是提高螺栓综合性能重中之重。
1、高强度螺栓的主要失效模式是疲劳
疲劳是一种在循环应力和应变的重复作用下,螺栓一处或几处发生开裂或断裂的失效形式。疲劳是一个机械损伤累积、延时失效的过程。疲劳包括裂纹萌生和裂纹扩展两个过程,在低于材料的屈服强度下发生,在无明显变形下突然失效。所以,与其它失效形式相比,疲劳是一类最危险的失效形式。
通常,车辆上的连接螺栓为拉-拉疲劳失效。例如,风力发电机组服役环境复杂而恶劣,既承受动载荷冲击又承受腐蚀环境,所用连接螺栓疲劳断裂高达85%,高强度螺栓的主要失效模式是疲劳。
2、高强度螺栓“三大问题”源自应力集中敏感
高强度螺栓普遍选用高强度低合金钢、超高强度钢和高温合金制造。随着高端机械装备发展,高强度螺栓用的合金强度还会不断提高。高强度材料具有高疲劳强度,其重量轻、体积小、长寿命、高可靠。但高强度材料的突出弱点是疲劳强度对应力集中度敏感。
大量的高强度螺栓疲劳失效分析结果表明,80%以上的疲劳失效源自表面损伤、头杆交接处脱碳、螺纹加工有明显的细小裂缝或切削加工刀痕不连续处和表面腐蚀物、淬火组织不均匀,因为那儿应力集中度高。
3、高强度螺栓制造的机遇与挑战
高端机械装备给高强度螺栓制造带来前所未有的发展机遇。不解决“三大问题”便很难达到预期目标,更难说达到国际先进水平。解决“三大问题”需要解决三个层次的问题:一是自主知识产权;二是经济可承受性;三是长寿命、高可靠性、结构减重技术。
首先,要转变观念,要认清时空,我国要发展高端机械制造,掌握关键技术和提升核心竞争力,摒弃那些变换华丽辞藻的忽悠,甘当发达国家技术的二传手、市场换技术等错误观念,从以往“引进、仿制-落后,再引进、仿制…”,粘贴、复制、山寨版产品中解放出来,加快发展紧固件热处理刻不容缓。
其次,要充分认识解决“三大问题”,实现高强度螺栓长寿命、高可靠、结构减重是一场革命:①从高强度螺栓“成形”制造转变为抗疲劳制造的技术革命;②从解决“有无”转变为关键高强度螺栓支持高端机械制造可持续发展的理念革命;③从指标最终检验转变为过程控制的管理革命;④从低技术、被动转变为高技术、主动的从业人员素质革命;⑤从廉价劳动力、滥用环境和资源转变为高附加值、人性化、低排放、绿色环保的环境革命等。