影响无缝钢管材料疲劳强度的八大因素

    山东源利通无缝钢管材料的疲劳强度对各种外在因素和内在因素都极为敏感。外在因素包括零件的形状和尺寸、表面光洁度及使用条件等，内在因素包括材料本身的成分，组织状态、纯净度和残余应力等。这些因素的细变化，均会造成材料疲劳性能的波动甚至大幅度变化。 
   各种因素对疲劳强度的影响是疲劳研究的重要方面，这种研究将为零件合理的结构设计、以及正确选择无缝钢管材料和合理制订各种冷热加工工艺提供依据，以保证零件具有高的疲劳性能。 
1.应力集中的影响
常规所讲的疲劳强度，都是用精心加工的光滑试样测得的，然而，实际机械零件都不可避免地存在着不同形式的缺口，如台阶、键槽、螺纹和油孔等。这些缺口的存在造成应力集中，使缺口根部的 实际应力远大于零件所承受的名义应力，零件的疲劳破坏往往从这里开始。
理论应力集中系数Kt ：在理想的弹性条件下，由弹性理论求得的，缺口根部的 实际应力与名义应力的比值。
有效应力集中系数（或疲劳应力集中系数）Kf：光滑试样的疲劳极限σ-1与缺口试样疲劳极限σ-1n的比值。
有效应力集中系数不仅受构件尺寸和形状的影响，而且受材料的物理性质、加工、热处理等多种因素的影响。
有效应力集中系数随着缺口尖锐程度的增加而增加，但通常小于理论应力集中系数。
疲劳缺口敏感度系数q：疲劳缺口敏感度系数表示材料对疲劳缺口的敏感程度，由下式计算。
q的数据范围是0-1，q值越小，表征无缝钢管材料对缺口越不敏感。试验表明，q并非纯粹是材料常数，它仍然和缺口尺寸有关，只有当缺口半径大于一定值后，q值才基本与缺口无关，而且对于不同材料或处理状态，此半径值也不同。
2.尺寸因素的影响
由于材料本身组织的不均匀性以及内部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破坏概率的增加，从而降低材料的疲劳极限。尺寸效应的存在，是把试验室小试样测得的疲劳数据运用于尺寸实际零件中的一个重要问题，由于不可能把实际尺寸的零件上存在的应力集中、应力梯度等完全相似地在小试样上再现出来，从而造成试验室结果与某些具体零件疲劳破坏之间的互相脱节。
3.表面加工状态的影响
机加工的表面总存在着高低不平的加工痕迹，这些痕迹就相当于小缺口，在材料表面造成应力集中，从而降低材料的疲劳强度。试验表明，对于钢和铝合金，粗糙的加工（粗车）与纵向精抛光相比，疲劳极限要降低10%－20%甚至更多。材料的强度越高，则对表面光洁度越敏感。
4.加载经历的影响
实际上没有任何零件是在 恒定的应力幅条件下工作，材料实际工作中的超载和次载都会对材料的疲劳极限产生影响，试验表明，材料普遍存在着超载损伤和次载锻炼现象。
所谓超载损伤是指材料在高于疲劳极限的载荷下运行达到一定周次后，将造成材料疲劳极限的下降。超载越高，造成损伤所需的周次越短，如图1所示。

    事实上，在一定条件下，少量次数的超载不仅不会对材料造成损伤，由于形变强化、裂纹 钝化以及残余压应力的作用，还会对材料造成强化，从而提高材料的疲劳极限。因此，应对超载损伤的概念进行一些补充和修正。所谓次载锻炼是指材料在低于疲劳极限但高于某一限值的应力水平下运行一定周次后，造成材料疲劳极限升高的现象。次载锻炼的效果和材料本身的性能有关，塑性好的材料，一般来说锻炼周期要长些，锻炼应力要高些方能见效。
5.化学成分的影响
材料的疲劳强度与抗拉强度在一定条件下存在着较密切的关系，因此，在一定条件下凡能提高抗拉强度的合金元素，均可提高材料的疲劳强度。比较而言，碳是影响材料强度的主要因素。而一些在钢中形成夹杂物的杂质元素则对疲劳强度产生不利影响。
热处理和显组织的影响不同的热处理状态会得到不同的显组织，因此，热处理对疲劳强度的影响，实质上就是显组织的影响。同一成份的材料，由于热处理不同，虽然可以得到相同的静强度，但由于组织的不同，疲劳强度可在相当大的范围内变化。
    在相同的强度水平时，片状珠光体的疲劳强度明显要低于粒状珠光体。同是粒状珠光体，其渗碳体颗粒越细小，则疲劳强度越高。
显组织对材料疲劳性能的影响，除了和各种组织本身的机械性能特性有关外，还和晶粒度以及复合组织中组织的分布特征有关。细化晶粒可提高材料的疲劳强度。
6.夹杂物的影响
夹杂物本身或由它而产生的孔洞相当于小缺口，在交变载荷作用下将产生应力集中和应变集中，成为疲劳断裂的裂纹源，对材料的疲劳性能造成不良影响。夹杂物对疲劳强度的影响不仅取决于夹杂物的种类、性质、形状、大小、数量和分布，而且还取决于材料的强度水平以及外加应力水平及状态等因素。
不同类型的夹杂物其机械和物理性能不同，和母材性能之间的差异不同，对疲劳性能的影响也不同。一般说来，易变形的塑性夹杂物（如硫化物）对钢的疲劳性能影响较小，而脆性夹杂物（如氧化物、硅酸盐等）则有较大的危害。
   比基体膨胀系数大的夹杂物（如硫化物）因在基体中产生压应力而影响小，而比基体膨胀系数小的夹杂物（如氧化铝等）因在基体中产生拉应力而影响大。
   夹杂物与母材结合的紧密程度也会影响疲劳强度。硫化物易于变形，和母材结合紧密，而氧化物易于脱离母材，造成应力集中。由此可知，从夹杂物的类型来说，硫化物的影响较小，而氧化物、氮化物和硅酸盐等则是危害较大的。
   不同加载条件下，夹杂物对材料疲劳性能的影响也不同，在高载条件下，无论有没有夹杂物的存在，外加载荷均足以使材料产生塑性流变，夹杂物的影响较小，而在材料的疲劳极限应力范围，夹杂物的存在造成局部应变集中成为塑性变形的控制因素，从而强烈地影响材料的疲劳强度。也就是说，夹杂物的存在主要是影响材料的疲劳极限，对高应力条件下的疲劳强度影响不明显。
材料的纯净度是由熔炼工艺过程决定的，因此，采用净化冶炼方法（如真空熔炼、真空除气和电渣重熔等）均可有效降低钢中的杂质含量，改善材料的疲劳性能。
7.表面性能变化及残余应力的影响
表面状态的影响除前已提及的表面光洁度外，还包括表层机械性能的变化及残余应力对疲劳强度的影响。表层机械性能的变化可以是表层化学成分和组织不同所引起，也可以是表层因形变强化而引起。
渗碳、氮化和碳氮共渗等表面热处理除了可以增加零件的耐磨性之外，还是提高零件疲劳强度，特别是提高耐腐蚀疲劳和咬蚀的一种有效手段。
表面化学热处理对疲劳强度的影响主要取决于加载方式、渗层中的碳氮浓度、表面硬度及梯度、表面硬度与心部硬度之比、层深以及表面处理所形成的残余压应力的大小和分布等因素。大量试验表明，只要是先加工缺口后经化学热处理，则一般说来缺口越尖锐，疲劳强度的提高也越多。
不同的加载方式下，表面处理对疲劳性能的影响也不同。轴向加载时，由于不存在应力沿层深分布不均的现象，表层和层下的应力相同。在这种情况下，表面处理只能改善表面层的疲劳性能，由于心部材料未得到强化，因而疲劳强度的提高有限。在弯曲和扭转条件下，应力的分布集中于表层，表面处理形成的残余应力和这种外加应力叠加，使表面实际承受的应力降低，同时，由于表层材料的强化，因而能有效地提高弯曲和扭转条件下的疲劳强度。
    和渗碳、氮化以及碳氮共渗等化学热处理相反，如果零件在热处理过程中脱碳，使表层的强度降低，则会使源利通无缝钢管材料的疲劳强度大幅度降低。同样，表面镀层（如镀Cr、Ni等）由于镀层中的裂纹造成的缺口效应、镀层在基体无缝钢管中引起的残余拉应力以及电镀过程中氢气的浸入导到氢脆等原因，使疲劳强度降低。
    采用感应淬火、表面火焰淬火以及低淬透性钢的薄壳淬火，均可获得一定深度的表面硬度化层，并在表层形成有利的残余压应力，因而也是提高零件疲劳强度的有效方法。
   表面滚压和喷丸等处理，由于能在试样表面形成一定深度的形变硬化层，同时使表面产生残余压应力，因而也是提高疲劳强度的有效途径

 高压锅炉管是锅炉管的一种，属于无缝钢管类别。制造方法与无缝管高压锅炉管相同，但对制造钢管所用的钢种有严格的要求。高压锅炉管使用时经常处于高温和高压条件。高压锅炉管主要用来制造高压和超高压锅炉的过热器管、再热器管、导气管、主蒸汽管等。

  锅炉管由于长期在高温和高压条件下工作，材料将发生蠕变，塑性和韧性下降，原始组织改变，产生腐蚀等。作为锅炉用的钢管应具备：足够的持久强度；足够的塑性变形能力；小的时效倾向和热脆性；高的抗氧化、耐煤灰、耐天然气高温下腐蚀、蒸汽和应力腐蚀性能。

    良好的组织稳定性以及良好的工艺性能。高压锅炉管的钢种有碳钢以及珠光体、铁素体和奥氏体型不锈耐热钢。为了提高火力发电机组的热效率、降低燃耗，世界各国均以发展大容量、高参数（高温、高压）火电机组（1000MW以上）为主。蒸汽压力提高到31.5~34.3MPa,过热蒸汽温度达595~650℃，向超高压临界压力发展，这样对高压锅炉管提出了更高的要求。为此开发了新的钢种，以满足高参数电站锅炉的需用。

    生产制造方法：一般锅炉管使用温度在450℃以下，国产管主要用10号、20号碳结钢热轧管或冷拔管制造。高压锅炉管使用时经常处于高温和高压条件管子在高温烟气和水蒸气的作用下，会发生氧化和腐蚀。要求钢管具有高的持久强度，高的抗氧化腐蚀性能，并有良好的组织稳定性

45#冷拔无缝钢管的热处理技术

      45号冷拔无缝钢管为 优质碳素结构用钢 ,硬度不高易切削加工,模具中常用来做模板,梢子,导柱等,但须热处理 。 热处理温度：正火850，淬火840，回火600。 
        45号冷拔无缝钢管淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（ 可达HRC62）为合格。实际应用的 硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。 45号钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。 
        调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质+表面淬火提高零件表面硬度。 
       冷拔无缝钢管 渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质+表面淬火高。其表面含碳量0.8－－1.2%，芯部一般在0.1－－0.25%（特殊情况下采用0.35%）。经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58－－62），芯部硬度低，耐冲击。 
        如果用45号钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点。现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不高，到0.30%芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见。0.35%从来没见过实例，只在教科书里有介绍。可以采用调质+高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。 
        GB/T8162-2008标准规定的45号钢冷拔无缝钢管热处理制度为850℃正火、840℃淬火、600℃回火，达到的性能为屈服强度≥355MPa。GB/T699-1999标准规定45钢抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，伸长率为16%，断面收缩率为40%，冲击功为39J