“十三五”期間及其未來10年，中國緊固件業(yè)發(fā)展控制總量，培育一批世界知名品牌，加速產(chǎn)品結構調(diào)整和技術創(chuàng)新，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+機器人+工業(yè)4.0的初級生產(chǎn)體系。未來是我國制造業(yè)轉型升級，從“制造大國”走向“制造強國”的關鍵時期。我國制造業(yè)的勞動力的紅利時代即將結束，很多發(fā)展中國家已接納了緊固件轉移的制造，對我國緊固件行業(yè)形成了新挑戰(zhàn)。

　　長期以來，我國高強度螺栓存在壽命短、可靠性差和結構重等三大問題。三大問題嚴重制約高端機械裝備發(fā)展和安全服役。高強度螺栓決定了高端機械裝備主要連接功能，體現(xiàn)機械裝備壽命、可靠性與經(jīng)濟可承受能力，是高端機械制造的核心。

　　1、高強度螺栓的主要失效模式是疲勞

　　疲勞是一種在循環(huán)應力和應變的重復作用下，螺栓一處或幾處發(fā)生開裂或斷裂的失效形式。疲勞包括裂紋萌生和裂紋擴展兩個過程，在低于材料的屈服強度下發(fā)生，在無明顯變形下突然失效。所以，與其它失效形式相比，疲勞是一類最危險的失效形式之一。

　　通常，車輛上的連接螺栓為拉-拉疲勞失效。例如，風力發(fā)電機組服役環(huán)境復雜而惡劣，既承受動載荷沖擊又承受腐蝕環(huán)境，所用連接螺栓疲勞斷裂高達85%。高強度螺栓的主要失效模式是疲勞，大量的高強度螺栓疲勞失效分析結果表明，70%以上的疲勞失效源自表面損傷、頭桿交接處脫碳、螺紋加工有明顯的細小裂縫或切削加工刀痕不連續(xù)處和表面腐蝕物、淬火組織不均勻，因為那兒應力集中度高。這些都與緊固件制造水平有關。

　　2、熱處理賦予緊固件材料極限性能

　　“熱處理”是采用加熱與冷卻方法控制相變，微觀結構、殘余應力場，賦予材料極限性能和高強度螺栓極限服役性能的工藝技術。它既是一門理論性很強的科學，又是一類實踐性很強的技術。實踐性很強說的是先進熱處理工藝隨著材料和高強度螺栓千變?nèi)f化，而且不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)展、不斷進步。高強度螺栓普遍選用高強度低合金鋼制造�？梢钥吹�，沒有哪個材料可以離開熱處理，沒有哪個高強度螺栓不依賴熱處理。需要特別指出熱處理是當今賦予材料極限性能的特種技術之一。

　　熱處理與制坯技術、切削技術不同。冷鐓制坯、鍛造制坯、鑄造制坯和焊接制坯可以制出一定形狀和大尺寸的坯件，十分顯眼。切削加工可以制出各種精密、美觀的高精度螺栓，極為露眼。而熱處理技術是緊固件制造的“內(nèi)科學”， 賦予高強度螺栓的是性能，既不顯山，也不露水。為此，盡管熱處理在高強度螺栓的經(jīng)濟可承受性鏈條中高出其它技術價值很多倍，但卻不被重視。熱處理被邊緣化、附屬化了；在形式主義、急功近利的踐踏下，熱處理這一材料、高強度螺栓、高端機械裝備的核心技術，被排斥在科技規(guī)劃關鍵技術之外，得不到重點研究支持。況且，專業(yè)教育蛻化、專業(yè)人員的流失、匱乏，技術落后再落后，與國外先進水平的差距拉大再拉大。

　　3、熱處理技術促進高強度螺栓的發(fā)展

　　熱處理技術是先進制造技術的重要組成部分，對高強度螺栓、高端機械裝備的發(fā)展有著十分重要的作用。眾所周知，沒有“化學成分”不成為材料，沒有“熱處理”同樣不成為材料。但傳統(tǒng)的緊固件制造習慣中常常認識了“化學成分”的重要性，卻不認識熱處理的重要作用和地位。
熱處理工藝按時間的長短和溫度的高低會帶來不同的效果，不同的熱處理所帶來的緊固件不同的性能提升。

　　3.1 提高冷鐓鋼的加工性能和加工精度

對同一種材料來說，如果物理加工與化學加工的方法和程度不同，也會帶來不同的表征和特性，通常來說可以利用此點作為表面粗糙度調(diào)整的方法，帶來不同形狀、不同硬度、不同內(nèi)部組織、不同用途的緊固件。在冷鐓工藝當中，不同硬度的材料能夠應對不同的加工方法，為了適應冷鐓加工工作的穩(wěn)定性，應當提前改變材料組織狀態(tài)。

　　如果退火組織不符合球化等級，材料在冷鐓成型中，當變形量大于80%～85%，就有可能造成冷鐓開裂；且有可能發(fā)生表面不平整、不光潔的情況；硬度過軟則容易變形，無法掌握形狀，而硬度過硬阻礙冷鐓、冷擠和切削加工，損傷模具、刀具，而經(jīng)過預先熱處理工藝則可避免此現(xiàn)象。

　　3.2 提高金屬材料的斷裂韌性

　　金屬材料的斷裂韌性指含有裂紋的材料，在外力作用下抵抗裂紋擴展的性能，提高金屬斷裂韌性的關鍵是要減少金屬晶體中位錯，使金屬材料中位錯密度下降，從而提高金屬強度、而減少金屬晶體中位錯的一種重要方法，就是細晶強化，其原理是通過細化晶粒使晶界所占比例增高而阻礙位錯滑移，從而提高材料的韌性，金屬組織的細晶強化的過程實際上就是金屬熱處理。

　　3.3 減少金屬材料的應力腐蝕開裂

　　腐蝕開裂是指金屬在物理力與化學成分侵蝕下產(chǎn)生了不恰當?shù)臄嗔�。通常引起這一狀態(tài)的力是殘余拉力，這個力的形成時間是在金屬焊接的時候，在進行升溫加熱或冷卻時，引起溫度的變化導致內(nèi)部組織發(fā)生改變，同時引起其他力的變化。

　　淬火內(nèi)應力主要有熱應力和組織應力兩種。工件最終變形或開裂、應力腐蝕都是這兩種應力綜合作用的結果。工件加熱或冷卻時由于內(nèi)外溫差導致熱脹冷縮不一致而產(chǎn)生的內(nèi)應力叫做熱應力；工件在冷卻過程中，由于內(nèi)外溫差造成組織轉變不同時性，引起內(nèi)外比體積的不同變化而產(chǎn)生的內(nèi)應力叫做組織應力。在熱應力的作用下，由于冷卻時金屬表面溫度低于心部，收縮表面大于心部而使心部受拉應力；組織應力變化的最終結果是表層受拉應力，心部受壓應力，恰好與熱應力相反。金屬熱處理的熱應力與組織應力疊加的結果就是材料中的殘余應力，正是其存在造成了應力腐蝕開裂。

　　熱處理工藝在緊固件制造中，對其性能的改變有較為突出的作用。若將熱處理與冷鐓、冷擠、冷沖、部分切削加工密切配合，能夠對緊固件的精度以及成品率提升一個較高的水平。

　　4、結語

　　工業(yè)4.0和中國制造的《2025》在高強度螺栓制造發(fā)展的進程中的智能化、綠色化、輕量化，熱處理技術都扮演著重要角色，未來10年我國緊固件的發(fā)展，應選擇對行業(yè)發(fā)展起著基礎性、突破性作用的工序作為重點加快發(fā)展，重視集成創(chuàng)新是提高企業(yè)核心能力的關鍵，熱處理發(fā)展將更加呈現(xiàn)個性化。

　　開發(fā)新的熱處理工藝提高其性能，或提高熱處理設備的技術水平保證熱處理質量的穩(wěn)定性，對于提高緊固件的壽命和可靠性乃至節(jié)能環(huán)保，均具有非常重要的意義和作用。

　　作者：金蜘蛛緊固件網(wǎng)顧問專家　張先鳴
　　來源：金蜘蛛緊固件網(wǎng)