Высокопрочные-болты: комплексный анализ от материалов до термической обработки

Высокопрочные-болты: комплексный анализ от материалов до термической обработки

1 Общие сведения о высокопрочных-болтах
1.1 Стандарты-болтов высокой прочности
В международной торговле и зарубежных проектах высокопрочные болты-обычно соответствуют следующим основным стандартам, чтобы гарантировать, что их материалы, механические свойства, термическая обработка и т. д. соответствуют необходимым техническим требованиям:

ИСО 898-1
Этот стандарт широко используется во всем мире (особенно в Европе и других международных проектах) и определяет механические свойства крепежных изделий из углеродистой и легированной стали, такие как предел прочности, предел текучести, твердость, удлинение и коэффициент крутящего момента.

Обычными классами прочности в ISO 898-1 являются 8,8, 10,9 и 12,9, которые являются очень важными показателями для производства и приемки высокопрочных болтов.

АСТМ А490
Применительно к конструкционным болтам из легированной стали минимальная прочность на растяжение обычно должна достигать 150 фунтов на квадратный дюйм (около 1034 МПа).
Болты этого типа часто используются в соединениях стальных конструкций, требующих высокой прочности, таких как мосты, высотные-здания и крупное оборудование.

АСТМ А354
Этот стандарт требует, чтобы болты имели превосходные механические свойства для использования в суровых условиях.

Его часто используют в проектах, где факторы безопасности и долговечность имеют решающее значение, например, в тяжелой технике и определенном специальном оборудовании.
Эти стандарты выдвигают подробные технические требования к марке материала, механическим свойствам, термической обработке и т. д. По сравнению с обычными болтами марок 4,6, 8,8 или 10,9, высокопрочные болты имеют более высокие классы прочности (например, марка 12,9) и более строгие требования к контролю процесса и выбору материалов для удовлетворения требований высоких нагрузок и высоких коэффициентов безопасности.

1.2 Требования к характеристикам высокопрочных-болтов
«Высокая прочность» высокопрочных-болтов отражается не только в пределе прочности на разрыв, но и в комплексных требованиях к пределу текучести, относительному удлинению, ударной вязкости и другим показателям. Вообще говоря, среди распространенных-марок болтов, распространенных в США, минимальная прочность на растяжение болтов может достигать более 1000 МПа, а некоторые болты из легированной стали могут даже достигать диапазона 1200–1400 МПа. Кроме того, чтобы обеспечить надежное соединение в различных рабочих условиях, высокопрочные болты-должны также обладать следующими эксплуатационными характеристиками:

Прочность и пластичность
В экстремальных условиях или при динамических и ударных нагрузках вязкость и пластичность материалов зачастую важнее прочности. Особенно для болтов, которые должны работать в условиях низких температур (например, -20 градусов или -40 градусов), обычно требуется, чтобы ударная вязкость по Шарпи высокопрочных болтов при соответствующей температуре поддерживалась на уровне не менее 27–40 Дж, чтобы предотвратить хрупкое разрушение; в области полярной или морской ветроэнергетики требования к испытаниям могут быть дополнительно увеличены до -50 градусов или ниже.

Кроме того, для обычных болтов класса 10,9 или 12,9 удлинение (A5) обычно должно достигать 8–14 %, а уменьшение поперечного сечения (Z) обычно должно быть выше 40–50 %, чтобы обеспечить достаточную способность к пластической деформации и запас прочности. Короче говоря, чтобы сохранить надежность в течение длительного времени в суровых условиях, недостаточно сосредоточиться только на высокой прочности, не менее важны прочность и пластичность.

Утомительная жизнь
В среде с частой вибрацией или знакопеременными нагрузками болты с недостаточной усталостной прочностью склонны к усталостным трещинам в основании резьбы или концентрации напряжений, что в конечном итоге приводит к разрушению.

Коррозионная стойкость
Для высокопрочных болтов,-используемых в морской технике, нефтехимическом оборудовании или во влажной среде, для повышения коррозионной стойкости обычно требуется обработка поверхности или добавление специальных легирующих элементов, таких как хром (Cr) и никель (Ni).

1.3 Применение высокопрочных-болтов
Высокопрочные-болты обладают высокой-несущей способностью, хорошей прочностью и длительным сроком службы.

Их часто используют в следующих случаях:

• Крупные стальные конструкции: мосты, тяжелые заводы, башни ветряных турбин и каркасы-высотных зданий.
• Автомобильная и аэрокосмическая промышленность: ключевые соединения двигателей, шасси и конструктивных элементов самолета
• Нефтяная, нефтехимическая, энергетическая промышленность: сосуды под давлением, фланцевые соединения трубопроводов, арматура, оборудование для атомной энергетики.
• Тяжелое оборудование и техника: горнодобывающая техника, военная техника, судостроение и другие компоненты,-высоконагруженные.

Стоит отметить, что «высокая сила» не означает стремление к наивысшей силе. Если проект работает в условиях чрезвычайно низкой температуры, помимо прочности необходимо тщательно учитывать ударную вязкость и состав материала болтов. Если проект подвергается воздействию высоких температур и агрессивных сред, следует выбирать легированные стали с соответствующей устойчивостью к высоким температурам или коррозии. Таким образом, на этапе выбора и закупки болтов необходимо всесторонне оценить условия работы и требования к механическим характеристикам продукта, и нельзя слепо стремиться к «наивысшей прочности».

2. Высокопрочные-материалы болтов.
Качество сырья является основой для определения качества и эксплуатационных характеристик болтов. Для изготовления высокопрочных-болтов обычно используются легированные конструкционные стали, такие как 42CrMo, B7 и 40CrNiMo. Эти материалы обладают превосходными механическими свойствами при высокой температуре, высокой нагрузке или ударной нагрузке, а также могут в различной степени соответствовать требованиям низкотемпературной вязкости или коррозионной стойкости.

2.1 Распространенные марки стали для высокопрочных-болтов
Ниже приведены несколько типичных марок стали и соответствующие им международные/американские названия:

42CrMo (международная марка легированной стали, соответствующая составу американской ASTM B7):
Он обладает высокой прочностью и прокаливаемостью, предел прочности на разрыв обычно составляет 1100-1300 МПа или выше, что подходит для изготовления болтов класса 10,9 или 12,9.

B7 (легированная сталь по стандарту ASTM A193, США):
Состав B7 аналогичен 42CrMo, но содержание молибдена (Mo) контролируется более точно. B7 в основном используется в условиях высоких температур и высокого давления, особенно для фланцевых соединений нефтехимического оборудования.

40CrNiMo (обычно используется в стандартах ASTM A320 L7 и т. д.):
Эта сталь демонстрирует лучшую ударную вязкость при низких-температурах за счет добавления различных легирующих элементов и может работать при температурах -40 градусов и даже ниже. Он более широко используется в областях, где требуется устойчивость к ударам при низких температурах, таких как ветроэнергетика и морская техника.

2.2 Различия в характеристиках разных марок стали и их причины
В качестве примера возьмем 42CrMo и B7. Обе стали среднеуглеродистыми, закаленными и отпущенными (содержание углерода обычно составляет 0,38–0,45%), и обе содержат определенное количество хрома (Cr) и молибдена (Mo) с одинаковым общим составом. Однако благодаря точному контролю микроэлементов, особенно разницы в содержании молибдена (Mo) и марганца (Mn), материалы могут демонстрировать значительные различия в характеристиках. Например:

Содержание молибдена: Если содержание молибдена в B7 строго контролируется в пределах от 0,18 до 0,20%, а содержание молибдена в 42CrMo находится на нижнем уровне (0,15–0,17%), B7 имеет преимущества в прокаливаемости и структурной однородности и, таким образом, лучше показывает себя в испытаниях на ударную вязкость (например, при уменьшении сечения).

Содержание марганца: Марганец может улучшить прочность и прокаливаемость в определенном диапазоне, но чрезмерное содержание марганца увеличивает риск отпускной хрупкости. В сочетании с другими элементами, такими как молибден, «дефекты», вызванные марганцем, могут быть частично устранены, тем самым сохраняя хорошую ударную вязкость и одновременно обеспечивая прочность.

2.3 Влияние каждого элемента на свойства стали (таблица)
Ниже представлена ​​упрощенная таблица, иллюстрирующая влияние распространенных легирующих элементов на общие свойства стали:

Таким образом, выбор материала для-высокопрочных болтов должен быть тесно интегрирован со средой применения. Когда требуются высокая ударная вязкость и высокая пластичность, содержание таких элементов, как молибден и никель, следует увеличить, а содержание примесей, таких как сера и фосфор, следует строго контролировать. Для стандартных условий применения, в которых основное внимание уделяется только высокой прочности без учета ударной вязкости, требованиям могут соответствовать такие стали, как 42CrMo. Однако, чтобы учесть как высокую прочность, так и ударопрочность при низких-температурах, приоритет следует отдавать таким материалам, как системы многоэлементных сплавов 40CrNiMo или CrNiMo.

3. Термическая обработка-высокопрочных болтов
Термическая обработка — ключевой этап, влияющий на характеристики болтов. Путем нагрева, сохранения тепла и охлаждения можно изменить внутреннюю микроструктуру материала, а также дополнительно улучшить прочность, пластичность и ударную вязкость. В реальном производстве высокопрочные болты-обычно подвергаются «отпуску» (закалка + отпуск) и при необходимости выполняются другие обработки (например, дегидрирующий отпуск или обработка поверхности).

3.1 Процесс термообработки высокопрочных-болтов
Обычно процесс термообработки высокопрочных-болтов из легированной конструкционной стали выглядит следующим образом:

Предварительный нагрев: нагрейте болты примерно до 600–700 градусов, чтобы снять внутреннее напряжение и снизить риск растрескивания из-за чрезмерного температурного градиента.

Аустенитизация: держите болты при температуре 900 градусов или выше, чтобы полностью превратить сердечник и поверхность в аустенит и растворить элементы сплава в матрице.

Закалка: быстро охладите болты до комнатной температуры или ниже (обычно с использованием закалки в масле или водяного охлаждения полимера), чтобы преобразовать микроструктуру главным образом в мартенсит, что значительно улучшит твердость и прочность на разрыв.

Закалка: Отпустите болты при соответствующей высокой температуре (например, . 500-650 градусов), чтобы постепенно превратить чрезмерную твердость в более пластичную закаленную структуру и предотвратить хрупкое разрушение во время использования.

3.2 Процесс закалки
Основная часть закалки включает аустенитизацию и быстрое охлаждение. Для высокопрочных болтов-не менее 90 % сердечника должны превратиться в мартенсит, чтобы соответствовать требуемым стандартам прочности и ударной вязкости. В реальном производстве время нагрева и выдержки должно контролироваться в зависимости от эффективного диаметра болта, состава материала и однородности температуры печи. Если время нагрева недостаточно или скорость охлаждения слишком медленная, в сердечнике могут сохраняться перлиты или другие структуры низкой-прочности, что приводит к ухудшению механических свойств.

3.3 Процесс закалки
Для высоко-болтов особенно важен правильный высоко-отпуск (обычно в диапазоне 500–650 градусов). К основным функциям темперирования относятся:

Снимите термическое напряжение: во время процесса быстрого охлаждения и закалки большой градиент температуры внутри болта приведет к более высокому внутреннему напряжению. Если не провести закалку, при последующем использовании могут возникнуть трещины.

Стабилизация структуры и размера: отпуск превращает небольшое количество остаточного аустенита в мартенсит, более равномерно перераспределяет выделения карбидов внутри мартенсита, тем самым улучшая ударную вязкость и стабилизируя размер.

Уменьшение хрупкости. Мартенсит в высокопрочном-состоянии обычно хрупкий; при отпуске может образовываться отпущенный троостит или отпущенный троостит, который обеспечивает лучшую вязкость и пластичность.

3.4 Рекомендации по термообработке
Равномерность температуры печи. Независимо от того, используете ли вы камерную печь или многофункциональную-печь, температура всех зон нагрева должна быть одинаковой, чтобы обеспечить последовательное микроструктурное преобразование по всему болту.

Контроль углеродного потенциала. Для материалов, требующих науглероживания или удержания углерода, контроль углеродного потенциала и показаний датчика кислорода имеет решающее значение для предотвращения обезуглероживания или чрезмерного содержания углерода.

Распределение твердости поверхности и сердечника. Для больших болтов особое внимание следует уделять разнице скоростей охлаждения сердечника и поверхности. Недостаточное охлаждение сердечника может привести к образованию перлитной или бейнитной структуры, что влияет на общую прочность.

Избегайте водородного охрупчивания: во время травления, гальваники или фосфатирования атомы водорода могут проникнуть в металл и вызвать водородное охрупчивание. Для решения этой проблемы после обработки поверхности обычно проводят дегидрирующий отпуск при температуре 190-230 градусов.

Если вы хотите узнать больше о термической обработке, вы можете посмотреть видео на канале «Металлургические данные».

4. Проверка качества и закупка высокопрочных-болтов.
4.1 Тест производительности
Обычными объектами проверки высокопрочных-болтов являются:

Испытание на растяжение: измерение предела прочности, предела текучести, удлинения, уменьшения-уменьшения поперечного сечения (значение Z) и других показателей для проверки соответствия стандартам ASTM A490, A354 и другим стандартам.

Испытание на твердость: твердость по Роквеллу (HRC) или твердость по Бринеллю (HB) обычно используется для быстрой оценки качества термообработки.

Испытание на удар. Для болтов, которым требуется ударная вязкость при низких-температурах (например, болты, используемые в ветроэнергетике, морской технике или в регионах с сильным-холодом), требуются испытания на удар по Шарпи при температуре -20, -40 градусов или даже ниже, чтобы гарантировать, что болты не разрушатся в холодных условиях.

Металлографический анализ: наблюдают за микроструктурой поперечного сечения болта (проверяют мартенсит, бейнит, феррит, шероховатость зерна и т. д.) для оценки качества термообработки и однородности материала.

Обнаружение дефектов поверхности: проверьте резьбу, головку или стержень на наличие трещин, складок, обезуглероживания поверхности или других дефектов.

Если вы хотите узнать больше о проверке качества винтов, вы можете прочитать статью «Руководство по всему процессу проверки качества винтов».

4.2 Стандартизация и сертификация
Международные сертификаты или стандарты помогают покупателям быстро оценить надежность и соответствие продукции. Общие сертификаты и стандарты включают в себя:

ISO 898-1 (Механические свойства болтов)

ISO 6157 (Требования к контролю поверхностных дефектов крепежных изделий)

Специальные стандарты для различных сред применения, такие как ASTM A193/A320/A354/A490.

Сертификация системы качества ISO 9001

Производители, имеющие эти сертификаты и комплексные системы тестирования, обычно имеют зрелые системы управления производством и контроля качества, обеспечивающие постоянство партийных поставок.

4.3 Рекомендации по закупкам высокопрочных-болтов
Определите среду использования и требования: перед покупкой уточните среду использования (диапазон температур, агрессивная среда, условия ударной нагрузки) и отдайте приоритет показателям производительности (таким как прочность на разрыв, ударная вязкость).

Выбирайте надежного производителя: для производства высокопрочных-болтов требуются-качественные материалы, оборудование и технологические процессы. Рекомендуется выбирать производителя с полными производственными линиями, строгим контролем качества и профессиональными технологиями, чтобы снизить риск на последующих этапах установки и обслуживания.

Просмотрите отчеты о материалах и процессах термообработки: подтвердите у поставщиков марку сырья, отчет о проверке состава материала, метод термообработки (температура отпуска, закалочная среда и т. д.) и отчет об испытаниях производительности, чтобы гарантировать согласованность партийной продукции.

Тестирование и выборка. Для проектов с критическими нагрузками или высокими потенциальными рисками рассмотрите возможность проведения небольших партийных испытаний или выборочных проверок перед крупномасштабными-закупками, чтобы минимизировать потенциальные риски.

Требования к индивидуальной настройке. Если требуются специальные высоко-прочные болты или болты, используемые в особых условиях (например, при низких-температурах ниже -40 градусов, высоких температурах или в условиях высокой коррозии), вы можете связаться с производителем, чтобы настроить состав сплава или план термообработки в соответствии с фактическими требованиями.