影響無縫鋼管材料疲勞強度的八大因素
山東源利通無縫鋼管材料的疲勞強度對各種外在因素和內(nèi)在因素都極為敏感。外在因素包括零件的形狀和尺寸、表面光潔度及使用條件等，內(nèi)在因素包括材料本身的成分，組織狀態(tài)、純凈度和殘余應(yīng)力等。這些因素的細變化，均會造成材料疲勞性能的波動甚至大幅度變化。
各種因素對疲勞強度的影響是疲勞研究的重要方面，這種研究將為零件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、以及正確選擇無縫鋼管材料和合理制訂各種冷熱加工工藝提供依據(jù)，以保證零件具有高的疲勞性能。
1.應(yīng)力集中的影響
常規(guī)所講的疲勞強度，都是用精心加工的光滑試樣測得的，然而，實際機械零件都不可避免地存在著不同形式的缺口，如臺階、鍵槽、螺紋和油孔等。這些缺口的存在造成應(yīng)力集中，使缺口根部的 實際應(yīng)力遠大于零件所承受的名義應(yīng)力，零件的疲勞破壞往往從這里開始。
理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt ：在理想的彈性條件下，由彈性理論求得的，缺口根部的 實際應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值。
有效應(yīng)力集中系數(shù)（或疲勞應(yīng)力集中系數(shù)）Kf：光滑試樣的疲勞極限σ-1與缺口試樣疲勞極限σ-1n的比值。
有效應(yīng)力集中系數(shù)不僅受構(gòu)件尺寸和形狀的影響，而且受材料的物理性質(zhì)、加工、熱處理等多種因素的影響。
有效應(yīng)力集中系數(shù)隨著缺口尖銳程度的增加而增加，但通常小于理論應(yīng)力集中系數(shù)。
疲勞缺口敏感度系數(shù)q：疲勞缺口敏感度系數(shù)表示材料對疲勞缺口的敏感程度，由下式計算。
q的數(shù)據(jù)范圍是0-1，q值越小，表征無縫鋼管材料對缺口越不敏感。試驗表明，q并非純粹是材料常數(shù)，它仍然和缺口尺寸有關(guān)，只有當(dāng)缺口半徑大于一定值后，q值才基本與缺口無關(guān)，而且對于不同材料或處理狀態(tài)，此半徑值也不同。
2.尺寸因素的影響
由于材料本身組織的不均勻性以及內(nèi)部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破壞概率的增加，從而降低材料的疲勞極限。尺寸效應(yīng)的存在，是把試驗室小試樣測得的疲勞數(shù)據(jù)運用于尺寸實際零件中的一個重要問題，由于不可能把實際尺寸的零件上存在的應(yīng)力集中、應(yīng)力梯度等完全相似地在小試樣上再現(xiàn)出來，從而造成試驗室結(jié)果與某些具體零件疲勞破壞之間的互相脫節(jié)。
3.表面加工狀態(tài)的影響
機加工的表面總存在著高低不平的加工痕跡，這些痕跡就相當(dāng)于小缺口，在材料表面造成應(yīng)力集中，從而降低材料的疲勞強度。試驗表明，對于鋼和鋁合金，粗糙的加工（粗車）與縱向精拋光相比，疲勞極限要降低10%－20%甚至更多。材料的強度越高，則對表面光潔度越敏感。
4.加載經(jīng)歷的影響
實際上沒有任何零件是在 恒定的應(yīng)力幅條件下工作，材料實際工作中的超載和次載都會對材料的疲勞極限產(chǎn)生影響，試驗表明，材料普遍存在著超載損傷和次載鍛煉現(xiàn)象。
所謂超載損傷是指材料在高于疲勞極限的載荷下運行達到一定周次后，將造成材料疲勞極限的下降。超載越高，造成損傷所需的周次越短，如圖1所示。
事實上，在一定條件下，少量次數(shù)的超載不僅不會對材料造成損傷，由于形變強化、裂紋 鈍化以及殘余壓應(yīng)力的作用，還會對材料造成強化，從而提高材料的疲勞極限。因此，應(yīng)對超載損傷的概念進行一些補充和修正。所謂次載鍛煉是指材料在低于疲勞極限但高于某一限值的應(yīng)力水平下運行一定周次后，造成材料疲勞極限升高的現(xiàn)象。次載鍛煉的效果和材料本身的性能有關(guān)，塑性好的材料，一般來說鍛煉周期要長些，鍛煉應(yīng)力要高些方能見效。
5.化學(xué)成分的影響
材料的疲勞強度與抗拉強度在一定條件下存在著較密切的關(guān)系，因此，在一定條件下凡能提高抗拉強度的合金元素，均可提高材料的疲勞強度。比較而言，碳是影響材料強度的主要因素。而一些在鋼中形成夾雜物的雜質(zhì)元素則對疲勞強度產(chǎn)生不利影響。
熱處理和顯組織的影響不同的熱處理狀態(tài)會得到不同的顯組織，因此，熱處理對疲勞強度的影響，實質(zhì)上就是顯組織的影響。同一成份的材料，由于熱處理不同，雖然可以得到相同的靜強度，但由于組織的不同，疲勞強度可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。
在相同的強度水平時，片狀珠光體的疲勞強度明顯要低于粒狀珠光體。同是粒狀珠光體，其滲碳體顆粒越細小，則疲勞強度越高。
顯組織對材料疲勞性能的影響，除了和各種組織本身的機械性能特性有關(guān)外，還和晶粒度以及復(fù)合組織中組織的分布特征有關(guān)。細化晶?？商岣卟牧系钠趶姸取?br /> 6.夾雜物的影響
夾雜物本身或由它而產(chǎn)生的孔洞相當(dāng)于小缺口，在交變載荷作用下將產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，成為疲勞斷裂的裂紋源，對材料的疲勞性能造成不良影響。夾雜物對疲勞強度的影響不僅取決于夾雜物的種類、性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量和分布，而且還取決于材料的強度水平以及外加應(yīng)力水平及狀態(tài)等因素。
不同類型的夾雜物其機械和物理性能不同，和母材性能之間的差異不同，對疲勞性能的影響也不同。一般說來，易變形的塑性夾雜物（如硫化物）對鋼的疲勞性能影響較小，而脆性夾雜物（如氧化物、硅酸鹽等）則有較大的危害。
比基體膨脹系數(shù)大的夾雜物（如硫化物）因在基體中產(chǎn)生壓應(yīng)力而影響小，而比基體膨脹系數(shù)小的夾雜物（如氧化鋁等）因在基體中產(chǎn)生拉應(yīng)力而影響大。
夾雜物與母材結(jié)合的緊密程度也會影響疲勞強度。硫化物易于變形，和母材結(jié)合緊密，而氧化物易于脫離母材，造成應(yīng)力集中。由此可知，從夾雜物的類型來說，硫化物的影響較小，而氧化物、氮化物和硅酸鹽等則是危害較大的。
不同加載條件下，夾雜物對材料疲勞性能的影響也不同，在高載條件下，無論有沒有夾雜物的存在，外加載荷均足以使材料產(chǎn)生塑性流變，夾雜物的影響較小，而在材料的疲勞極限應(yīng)力范圍，夾雜物的存在造成局部應(yīng)變集中成為塑性變形的控制因素，從而強烈地影響材料的疲勞強度。也就是說，夾雜物的存在主要是影響材料的疲勞極限，對高應(yīng)力條件下的疲勞強度影響不明顯。
材料的純凈度是由熔煉工藝過程決定的，因此，采用凈化冶煉方法（如真空熔煉、真空除氣和電渣重熔等）均可有效降低鋼中的雜質(zhì)含量，改善材料的疲勞性能。
7.表面性能變化及殘余應(yīng)力的影響
表面狀態(tài)的影響除前已提及的表面光潔度外，還包括表層機械性能的變化及殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響。表層機械性能的變化可以是表層化學(xué)成分和組織不同所引起，也可以是表層因形變強化而引起。
滲碳、氮化和碳氮共滲等表面熱處理除了可以增加零件的耐磨性之外，還是提高零件疲勞強度，特別是提高耐腐蝕疲勞和咬蝕的一種有效手段。
表面化學(xué)熱處理對疲勞強度的影響主要取決于加載方式、滲層中的碳氮濃度、表面硬度及梯度、表面硬度與心部硬度之比、層深以及表面處理所形成的殘余壓應(yīng)力的大小和分布等因素。大量試驗表明，只要是先加工缺口后經(jīng)化學(xué)熱處理，則一般說來缺口越尖銳，疲勞強度的提高也越多。
不同的加載方式下，表面處理對疲勞性能的影響也不同。軸向加載時，由于不存在應(yīng)力沿層深分布不均的現(xiàn)象，表層和層下的應(yīng)力相同。在這種情況下，表面處理只能改善表面層的疲勞性能，由于心部材料未得到強化，因而疲勞強度的提高有限。在彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下，應(yīng)力的分布集中于表層，表面處理形成的殘余應(yīng)力和這種外加應(yīng)力疊加，使表面實際承受的應(yīng)力降低，同時，由于表層材料的強化，因而能有效地提高彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下的疲勞強度。
和滲碳、氮化以及碳氮共滲等化學(xué)熱處理相反，如果零件在熱處理過程中脫碳，使表層的強度降低，則會使源利通無縫鋼管材料的疲勞強度大幅度降低。同樣，表面鍍層（如鍍Cr、Ni等）由于鍍層中的裂紋造成的缺口效應(yīng)、鍍層在基體無縫鋼管中引起的殘余拉應(yīng)力以及電鍍過程中氫氣的浸入導(dǎo)到氫脆等原因，使疲勞強度降低。
采用感應(yīng)淬火、表面火焰淬火以及低淬透性鋼的薄殼淬火，均可獲得一定深度的表面硬度化層，并在表層形成有利的殘余壓應(yīng)力，因而也是提高零件疲勞強度的有效方法。
表面滾壓和噴丸等處理，由于能在試樣表面形成一定深度的形變硬化層，同時使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，因而也是提高疲勞強度的有效途徑
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不銹鋼牌號分組
200系列—鉻-鎳-錳奧氏體不銹鋼
300系列—鉻-鎳奧氏體不銹鋼
型號301—延展性好，用于成型產(chǎn)品。也可經(jīng)過機械加工使其疾速硬化。焊接性好?？鼓バ院推＞霃姸葍?yōu)于304不銹鋼。
型號302—耐腐蝕性同304，由于含碳相對要高因此強度更好。
型號303—經(jīng)過添加少量的硫、磷使其較304更易切削加工。
型號304—通用型號;即18/8不銹鋼。GB牌號為0Cr18Ni9。
型號309—較之304有更好的耐溫性。
型號316—繼304之后，第二個得到普遍應(yīng)用的鋼種，主要用于食品工業(yè)和外科手術(shù)器材，添加鉬元素使其取得一種抗腐蝕的特殊構(gòu)造。由于較之304其具有更好的抗氯化物腐蝕才能因此也作“船用鋼”來運用。SS316則通常用于核燃料回收安裝。18/10級不銹鋼通常也契合這個應(yīng)用級別。
型號321—除了由于添加了鈦元素降低了資料焊縫銹蝕的風(fēng)險之外其他性能相似304。不銹鋼裝飾管,201不銹鋼管,304不銹鋼管
400系列—鐵素體和馬氏體不銹鋼
型號408—耐熱性好，弱抗腐蝕性，11%的Cr，8%的Ni。
型號409— 價的型號(英美)，通常用作汽車排氣管，屬鐵素體不銹鋼(鉻鋼)。
型號410—馬氏體(高強度鉻鋼)，耐磨性好，抗腐蝕性較差。
型號416—添加了硫改善了資料的加工性能。
型號420—“刃具級”馬氏體鋼，相似布氏高鉻鋼這種早的不銹鋼。也用于外科手術(shù)刀具，能夠做的十分光亮。型號430—鐵素體不銹鋼，裝飾用，例如用于汽車飾品。良好的成型性，但耐溫性和抗腐蝕性要差。
型號440—高強度刃具鋼，含碳稍高，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)臒崽幹煤竽軌蛉〉幂^高屈從強度，硬度能夠到達58HRC，屬于硬的不銹鋼之列。常見的應(yīng)用例子就是“剃須刀片”。常用型號有三種：440A、440B、440C，另外還有440F(易加工型)。
500系列—耐熱鉻合金鋼。
600系列—馬氏體沉淀硬化不銹鋼。
型號630—常用的沉淀硬化不銹鋼型號，通常也叫17-4;17%Cr，4%Ni。
不銹鋼為什么耐腐蝕?不銹鋼裝飾管,201不銹鋼管,304不銹鋼管
一切金屬都和大氣中的氧氣停止反響，在外表構(gòu)成氧化膜。不幸的是，在普通碳鋼上構(gòu)成的氧化鐵繼續(xù)停止氧化，使銹蝕不時擴展，終構(gòu)成孔洞。能夠應(yīng)用油漆或耐氧化的金屬(例如，鋅，鎳和鉻)停止電鍍來保證碳鋼外表，但是，正如人們所曉得的那樣，這種維護僅是一種薄膜。假如維護層被毀壞，下面的鋼便開端銹蝕。
首先我們先來理解下什么是不銹鋼,淺顯點講不會生銹的鋼材就叫不銹鋼,但是從學(xué)術(shù)意義上來講耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼。又稱不銹耐酸鋼。實踐應(yīng)用中，常將耐弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而將耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。由于兩者在化學(xué)成分上的差別，前者不一定耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕，然后者則普通均具有不銹性。不銹鋼的耐蝕性取決于鋼中所含的合金元素。鉻是使不銹鋼取得耐蝕性的根本元素，當(dāng)鋼中含鉻量到達12%左右時，鉻與腐蝕介質(zhì)中的氧作用，在鋼外表構(gòu)成一層很薄的氧化膜(自鈍化膜)，可阻止鋼的基體進一步腐蝕。除鉻外，常用的合金元素還有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、氮等，以滿足各種用處對不銹鋼組織和性能的請求。
不銹鋼通常按基體組織分為：201不銹鋼管,304不銹鋼管
①鐵素體不銹鋼。含鉻12%～30%。其耐蝕性、韌性和可焊性隨含鉻量的增加而進步，耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于其他品種不銹鋼。
②奧氏體不銹鋼。含鉻大于18%，還含有8%左右的鎳及少量鉬、鈦、氮等元素。綜合性能好，可耐多種介質(zhì)腐蝕。
③奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的優(yōu)點，并具有超塑性。④馬氏體不銹鋼。強度高，但塑性和可焊性較差。
不銹鋼的耐腐蝕性取決于鉻，但是由于鉻是鋼的組成局部之一，所以維護辦法不盡相同。
在鉻的添加量到達10.5%時，鋼的耐大氣腐蝕性能顯著增加，但鉻含量更高時，雖然仍可進步耐腐蝕性，但不明顯。緣由是用鉻對鋼停止合金化處置時，把外表氧化物的類型改動成了相似于純鉻金屬上構(gòu)成的外表氧化物。這種嚴密粘附的富鉻氧化物維護外表，避免進一步地氧化。這種氧化層極薄，透過它能夠看到鋼外表的自然光澤，使不銹鋼具有共同的外表。而且，假如損壞了表層，所暴顯露的鋼外表會和大氣反響停止自我修理，重新構(gòu)成這種"鈍化膜"，繼續(xù)起維護作用
20#鋼管壽命的影響因素及控制方法
20#鋼管的早期失效形式，主要有：破裂、塑性變形、磨損、腐蝕、疲勞在正常條件下主要是接觸疲勞主要內(nèi)在影響因素：硬度、強度、韌性、耐磨性、抗蝕性、內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)（服役條件之外）
1. 淬火鋼中的馬氏體
高碳鉻鋼原始組織：粒狀珠光體
淬火＋低溫回火：淬火馬氏體 M中含碳量，明顯影響鋼的力學(xué)性能
GCr15鋼淬火M含碳量為0.5％～0.56％ 可獲得抗失效能力**強的綜合力學(xué)性能。
M：隱晶馬氏體，測得的含碳量是平均含碳量。
2. 淬火鋼中的殘留奧氏體
高碳鉻鋼經(jīng)正常淬火后，可含有8％～20％Ar（殘留奧氏體）。
軸承零件中的Ar有利也有弊，Ar含量應(yīng)適當(dāng)。
Ar％↑ 硬度、接觸疲勞壽命均隨之而增加，達到峰值后又隨之而降低Ar的有利作用必須是在Ar穩(wěn)定狀態(tài)之下，20#鋼管如果自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，將使鋼的韌性急劇降低而脆化。
軸承受載較小時：Ar發(fā)生少量變形，既消減了應(yīng)力峰，又使已變形的Ar加工強化和發(fā)生應(yīng)力應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變而強化，Ar量增多對接觸疲勞壽命的影響減小軸承受載較大時：Ar較大的塑性變形與基體會局部產(chǎn)生應(yīng)力集中而破裂，從而使壽命降低
3.淬火鋼中的未溶碳化物
淬火鋼中未溶碳化物的數(shù)量、我國經(jīng)濟運行中的積極因素將開始顯現(xiàn)形貌、大小、分布受鋼的化學(xué)成分和淬火前原始組織的影響受奧氏體化條件的影響。
承載時（特別是碳化物呈非球形）與基體引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，從而會降低韌性和疲勞抗力。
淬火未溶碳化物影響鋼的性能
影響淬火馬氏體的含碳量和Ar含量及分布，從而對鋼的性能產(chǎn)生附加影響。
淬火未溶碳化物過多對鋼的綜合力學(xué)性能和失效抗力是有害的。
軸承鋼淬火后有少量未溶碳化物是必要的 耐磨性 獲得細晶粒隱晶馬氏體要求未溶碳化物少（數(shù)量少）、小（尺寸?。颍ù笮”舜讼嗖詈苄?，而且分布均勻）、圓（每粒碳化物皆呈球形）。
適當(dāng)降低軸承鋼的含碳量是提高制件使用壽命的途徑之一。
4.淬火回火后的殘留應(yīng)力
軸承零件經(jīng)淬火低溫回火后，仍具有較大的內(nèi)應(yīng)力。
表面殘留壓應(yīng)力的增大，疲勞強度隨之增高（過大的殘留應(yīng)力可能引起零件的變形）表面殘留內(nèi)應(yīng)力為拉應(yīng)力時，則使疲勞強度降低。
5.鋼的雜質(zhì)含量
雜質(zhì)：非金屬夾雜物 有害元素（酸溶）如氧含量越高，氧化物夾雜物就越多鋼中雜質(zhì)對力學(xué)性能和制件抗失效能力的影響與雜質(zhì)的類型、性質(zhì)、數(shù)量、大小及形狀有關(guān)通常都有降低韌性、塑性和疲勞壽命的作用對于在高應(yīng)力下工作的軸承零件，必須降低制造用鋼的含氧量例外：鋼中的MnS夾雜物因形狀呈橢球狀能夠包裹危害較大的氧化物夾雜對疲勞壽命降低影響較小甚至還可能有益。