緊固件行業(yè)談4.0,熱處理是高強(qiáng)度螺栓的核心 —— 文章正文2017-04-13

    改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)機(jī)械裝備制造業(yè)一直是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力?，F(xiàn)階段，我國(guó)制造業(yè)與世界先進(jìn)水平仍存在較大差距，產(chǎn)業(yè)整體狀況與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)水平相比，明顯存在不足，產(chǎn)業(yè)效率和效益較低，單位產(chǎn)值的能耗居高不下，人均水平更是差距巨大，創(chuàng)新能力薄弱。

    長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)高強(qiáng)度螺栓存在壽命短、可靠性差和結(jié)構(gòu)重等三大問(wèn)題。三大問(wèn)題嚴(yán)重制約高端機(jī)械裝備發(fā)展和安全服役。高強(qiáng)度螺栓決定了高端機(jī)械裝備主要連接功能，體現(xiàn)機(jī)械裝備壽命、可靠性與經(jīng)濟(jì)可承受能力，熱處理是高強(qiáng)度螺栓的核心。

    對(duì)于出現(xiàn)頻度越來(lái)越高的“工業(yè)4.0”和“第三次工業(yè)革命”的議論，我們必須考慮緊固件的未來(lái)，思考緊固件在第三次工業(yè)革命中的作用。未來(lái)10年是我國(guó)緊固件業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，從“制造大國(guó)”走向“制造強(qiáng)國(guó)”的關(guān)鍵時(shí)期。我國(guó)制造業(yè)的勞動(dòng)力的紅利時(shí)代即將結(jié)束，很多發(fā)展中國(guó)家已接納了緊固件轉(zhuǎn)移的制造，對(duì)我國(guó)緊固件行業(yè)形成了新的挑戰(zhàn)，緊固件行業(yè)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式成為當(dāng)務(wù)之急。

    高強(qiáng)度螺栓的主要失效模式是疲勞

    疲勞是一種在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變的重復(fù)作用下，螺栓一處或幾處發(fā)生開(kāi)裂或斷裂的失效形式。疲勞是一個(gè)機(jī)械損傷累積、延時(shí)失效的過(guò)程。疲勞包括裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)過(guò)程，在低于材料的屈服強(qiáng)度下發(fā)生，在無(wú)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(lèi)最危險(xiǎn)的失效形式。

    通常，車(chē)輛上的連接螺栓為拉-拉疲勞失效。例如，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組服役環(huán)境復(fù)雜而惡劣，既承受動(dòng)載荷沖擊又承受腐蝕環(huán)境，所用連接螺栓疲勞斷裂高達(dá)85%，高強(qiáng)度螺栓的主要失效模式是疲勞。

    高強(qiáng)度螺栓“三大問(wèn)題”源自應(yīng)力集中敏感

    高強(qiáng)度螺栓普遍選用高強(qiáng)度低合金鋼、超高強(qiáng)度鋼和高溫合金制造。隨著高端機(jī)械裝備發(fā)展，高強(qiáng)度螺栓用的合金強(qiáng)度還會(huì)不斷提高。高強(qiáng)度材料具有高疲勞強(qiáng)度，其重量輕、體積小、長(zhǎng)壽命、高可靠。但高強(qiáng)度材料的突出弱點(diǎn)是疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力集中度敏感。

    大量的高強(qiáng)度螺栓疲勞失效分析結(jié)果表明，80%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(xì)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?yàn)槟莾簯?yīng)力集中度高。

    高強(qiáng)度螺栓制造的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

    高端機(jī)械裝備給高強(qiáng)度螺栓制造帶來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。不解決“三大問(wèn)題”便很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，更難說(shuō)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。解決“三大問(wèn)題”需要解決三個(gè)層次的問(wèn)題：一是自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；二是經(jīng)濟(jì)可承受性；三是長(zhǎng)壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)減重技術(shù)。

    首先，要轉(zhuǎn)變觀念，要認(rèn)清時(shí)空，我國(guó)要發(fā)展高端機(jī)械制造，掌握關(guān)鍵技術(shù)和提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，摒棄那些變換華麗辭藻的忽悠，甘當(dāng)發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)的二傳手、市場(chǎng)換技術(shù)等錯(cuò)誤觀念，從以往“引進(jìn)、仿制-落后，再引進(jìn)、仿制…”,粘貼、復(fù)制、山寨版產(chǎn)品中解放出來(lái)，加快發(fā)展緊固件熱處理刻不容緩。

    其次，要充分認(rèn)識(shí)解決“三大問(wèn)題”，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓長(zhǎng)壽命、高可靠、結(jié)構(gòu)減重是一場(chǎng)革命：①?gòu)母邚?qiáng)度螺栓“成形”制造轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛊谥圃斓募夹g(shù)革命；②從解決“有無(wú)”轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)鍵高強(qiáng)度螺栓支持高端機(jī)械制造可持續(xù)發(fā)展的理念革命；③從指標(biāo)最終檢驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)程控制的管理革命；④從低技術(shù)、被動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒夹g(shù)、主動(dòng)的從業(yè)人員素質(zhì)革命；⑤從廉價(jià)勞動(dòng)力、濫用環(huán)境和資源轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒郊又?、人性化、低排放、綠色環(huán)保的環(huán)境革命等。

    熱處理賦予緊固件材料極限性能

    加快熱處理發(fā)展應(yīng)成為我國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略。在國(guó)際環(huán)境發(fā)生重大變化的形勢(shì)下，從我國(guó)熱處理的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題出發(fā)，加快發(fā)展緊固件熱處理的必要性、緊迫性和重要性，已異常突出地提到我們面前。

    “熱處理”是采用加熱與冷卻方法控制相變，微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力場(chǎng)，賦予材料極限性能和高強(qiáng)度螺栓極限服役性能的技術(shù)。它既是一門(mén)理論性很強(qiáng)的科學(xué)，又是一類(lèi)實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)。實(shí)踐性很強(qiáng)說(shuō)的是先進(jìn)熱處理工藝隨著材料和高強(qiáng)度螺栓千變?nèi)f化，而且不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)展、不斷進(jìn)步。可以看到，沒(méi)有哪個(gè)材料可以離開(kāi)熱處理，沒(méi)有哪個(gè)高強(qiáng)度螺栓不依賴(lài)熱處理。需要特別指出熱處理是當(dāng)今賦予材料極限性能，賦予高強(qiáng)度螺栓極限服役性能的僅有的兩種技術(shù)之一。

    熱處理技術(shù)促進(jìn)高強(qiáng)度螺栓的發(fā)展

    先進(jìn)制造技術(shù)是先進(jìn)高強(qiáng)度螺栓發(fā)展的技術(shù)支撐，熱處理技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，對(duì)高強(qiáng)度螺栓、高端機(jī)械裝備的發(fā)展有著十分重要的作用。眾所周知，沒(méi)有“成分”不成為材料，沒(méi)有“熱處理”同樣不成為材料。但傳統(tǒng)習(xí)慣中常常認(rèn)識(shí)了“成分”的重要性，卻不認(rèn)識(shí)熱處理的重要作用和地位。

    熱處理與材料強(qiáng)國(guó)直接相關(guān)，沒(méi)有熱處理創(chuàng)新就沒(méi)有材料強(qiáng)國(guó)。我國(guó)熱處理技術(shù)落后已經(jīng)制約了材料強(qiáng)國(guó)的發(fā)展，材料熱處理技術(shù)具有原創(chuàng)性。殊不知對(duì)熱處理的不重視，缺少創(chuàng)新制約了先進(jìn)材料的創(chuàng)新發(fā)展，沒(méi)有熱處理創(chuàng)新，就沒(méi)有先進(jìn)材料。

    面對(duì)“工業(yè)4.0”和“第三次工業(yè)革命”，在高強(qiáng)度螺栓制造發(fā)展的進(jìn)程中的智能化、綠色化、輕量化，熱處理技術(shù)都扮演著重要角色，未來(lái)10年我國(guó)緊固件的發(fā)展，應(yīng)選擇對(duì)緊固件行業(yè)發(fā)展起著基礎(chǔ)性、突破性作用的工序作為重點(diǎn)加快發(fā)展，重視集成創(chuàng)新是提高緊固件企業(yè)核心能力的關(guān)鍵，熱處理發(fā)展將更加呈現(xiàn)個(gè)性化。