影響無縫鋼管材料疲勞強(qiáng)度的八大因素

    山東源利通無縫鋼管材料的疲勞強(qiáng)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(xì)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(qiáng)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(jì)、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(qiáng)度，都是用精心加工的光滑試樣測得的，然而，實(shí)際機(jī)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(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)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(shí)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(jì)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(yàn)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(yàn)室小試樣測得的疲勞數(shù)據(jù)運(yùn)用于尺寸實(shí)際零件中的一個重要問題，由于不可能把實(shí)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(yàn)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(jī)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(qiáng)度。試驗(yàn)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(qiáng)度越高，則對表面光潔度越敏感。
4.加載經(jīng)歷的影響
實(shí)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(shí)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(yàn)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(yùn)行達(dá)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(shí)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(qiáng)化、裂紋 鈍化以及殘余壓應(yīng)力的作用，還會對材料造成強(qiáng)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(jìn)行一些補(bǔ)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(yùn)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(qiáng)度與抗拉強(qiáng)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(qiáng)度的合金元素，均可提高材料的疲勞強(qiáng)度。比較而言，碳是影響材料強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的影響，實(shí)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(qiáng)度，但由于組織的不同，疲勞強(qiáng)度可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。
    在相同的強(qiáng)度水平時，片狀珠光體的疲勞強(qiáng)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(xì)小，則疲勞強(qiáng)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(jī)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(xì)化晶?？商岣卟牧系钠趶?qiáng)度。
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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)烈地影響材料的疲勞強(qiáng)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(qiáng)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(jī)械性能的變化及殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響。表層機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yàn)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(qiáng)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(qiáng)化，因而疲勞強(qiáng)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(shí)際承受的應(yīng)力降低，同時，由于表層材料的強(qiáng)化，因而能有效地提高彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下的疲勞強(qiáng)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(qiáng)度降低，則會使源利通無縫鋼管材料的疲勞強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的有效途徑

一般無縫鋼管生產(chǎn)工藝包括熱軋和冷拔兩種。無縫鋼管具有中空截面，大量用作輸送流體的管道，如輸送石油、天然氣、煤氣、水及某些固體物料的管道等。鋼管與圓鋼等實(shí)心鋼材相比，在抗彎抗扭強(qiáng)度相同時，重量較輕，是一種經(jīng)濟(jì)截面鋼材。
1。無縫鋼管廠家的生產(chǎn)工藝可以分為冷拔與熱軋兩種，冷軋無縫鋼管的生產(chǎn)流程一般要比熱軋要復(fù)雜，管坯首先要進(jìn)行三輥連軋，擠壓后要進(jìn)行定徑測試，如果表面沒有響應(yīng)裂紋后圓管要經(jīng)過割機(jī)進(jìn)行切割，切割成長度約一米的坯料。熱軋無縫鋼管分為普通鋼管、中低壓鍋爐管、高壓鍋爐管、合金管、不銹鋼管、石油裂解管、地質(zhì)管等鋼管。熱軋鋼管是在熱軋或熱處理中輸送的。
熱軋無縫鋼管生產(chǎn)工藝：坯料稀釋器；加熱稀釋器；穿孔稀釋器；三輥橫軋、連續(xù)軋制稀釋器；汽提稀釋器；定徑稀釋器；冷卻稀釋器；矯直稀釋器；靜水壓試驗(yàn)稀釋器；標(biāo)記稀釋器；儲存、軋制無縫鋼管的原材料 Pe 是圓管坯，管子胚需要用切割機(jī)切割，生長約 1 米。傳送帶被送到加熱爐。管坯加熱到爐內(nèi)，加熱到約 1200 攝氏度。加熱管坯氫氣燃料
氣體或乙炔。爐內(nèi)溫度控制是一個關(guān)鍵問題，穿孔后必須對穿孔管進(jìn)行穿孔。
普通沖孔機(jī)是錐形輥穿孔鋼管穿孔機(jī)。該穿孔機(jī)生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，穿孔直徑擴(kuò)大大，能穿孔多種鋼材。穿孔后，管坯連續(xù)軋制三輥。擠壓后，必須將管子取下以便上漿。定徑機(jī)將錐形鉆頭高速旋轉(zhuǎn)到鋼胚中并鉆孔以形成鋼管（鋼管內(nèi)徑由定徑機(jī)鉆頭的外徑長度來確定）。鋼管固定后，進(jìn)入冷態(tài)。
塔內(nèi)通過噴水冷卻，冷卻后鋼管拉直。矯直后，鋼管通過輸送帶送入金屬探傷器進(jìn)行內(nèi)部探傷。如果鋼管內(nèi)出現(xiàn)裂紋和氣泡，就會檢測到。經(jīng)過質(zhì)量檢驗(yàn)后，鋼管必須通過嚴(yán)格的手工選擇來選擇。經(jīng)過鋼管的質(zhì)量檢驗(yàn)，油漆數(shù)量、規(guī)格、生產(chǎn)批號等。起重機(jī)被吊進(jìn)倉庫。
2。冷拔無縫鋼管包括普通鋼管、中低壓鍋爐管、高壓鍋爐管、合金鋼管、不銹鋼管、石油裂解管等鋼管。還包括碳素薄壁鋼管、合金薄壁鋼管、不銹鋼薄壁鋼管和異形鋼管。冷軋是在熱處理中進(jìn)行的。
冷拔無縫鋼管生產(chǎn)工藝：方坯和稀有；加熱和稀有；穿孔和稀有；頭和稀有；退火和稀有；酸洗和稀有；油和稀有；多道次冷拔和稀有；方坯和稀有；熱處理和稀有；矯直和稀有；水壓試驗(yàn) e. 冷拔無縫鋼管的軋制方法比熱軋復(fù)雜，前三步生產(chǎn)工藝基本相同。差異從第四個步驟開始。在圓坯空出來后，需要啟動和退火。退火后，應(yīng)使用特殊的酸。
尸體被腌制了。酸洗后，涂抹油。然后進(jìn)行多次冷拔。熱處理后，必須拉直。矯直后，鋼管通過輸送帶送入金屬探傷器進(jìn)行內(nèi)部探傷。如果在鋼管中存在裂紋，也會選擇氣泡當(dāng)量問題。
從外部看，冷拔無縫鋼管的長度通常比無縫鋼管短。厚壁無縫鋼管根據(jù)用途不同， 有厚壁管和薄壁管。無縫鋼管主要用做石油地質(zhì)鉆探管、石油化工用的裂化管、鍋 爐管、軸承管以及汽車、拖拉機(jī)、航空用高精度結(jié)構(gòu)鋼管。在壁厚方面，冷拔無縫管比熱軋無縫管更均勻。熱軋管精度低，表面粗糙。冷拔管精度高，表面粗糙度好