Resumo: As crescentes demandas por parafusos de alta resistência, juntamente com seus campos de aplicação em expansão, levaram a requisitos de desempenho mais elevados para aços para parafusos de alta resistência. O aço não deve apenas apresentar alta resistência, mas também garantir um desempenho confiável.
Este artigo explora o status atual da pesquisa, mecanismos de fortalecimento e materiais comumente usados para parafusos de alta resistência, e destaca as tendências futuras em seu desenvolvimento.
Fixadores, como parafusos, desempenham um papel crítico na conexão, posicionamento e vedação de componentes mecânicos. Os parafusos são o tipo de fixador mais utilizado.
À medida que máquinas, equipamentos e projetos de construção continuam a se expandir e melhorar em termos de potência e velocidade, as condições de trabalho e os níveis de tensão dos parafusos tornaram-se cada vez mais exigentes. Isto resultou na necessidade de aço para parafusos de maior resistência.
Por exemplo, bombas de água de alimentação de alta pressão usadas em unidades geradoras supercríticas e ultra-supercríticas exigem parafusos mais fortes para garantir que suas funções de vedação e suporte de pressão possam atender aos crescentes requisitos de pressão do abastecimento de água.
Parafusos de alta resistência também são componentes cruciais na construção de grandes estruturas de grade predial, como aquelas encontradas em edifícios públicos. Esses parafusos transferem forças internas alternadas causadas por cargas alternadas e estão diretamente relacionados à segurança pública.
Os parafusos originais usados em automóveis e motocicletas, especialmente os parafusos de motor, estão lutando para atender aos requisitos de alto estresse dos motores. Parafusos de alta resistência podem reduzir o tamanho e a massa dos parafusos, o que pode ajudar a reduzir o peso do veículo e o consumo de energia.
Além disso, a alta resistência dos parafusos contribui para a miniaturização e compactação de outras estruturas automotivas.
Concluindo, os parafusos de alta resistência têm um valor prático significativo e um futuro promissor para uma ampla gama de aplicações.
1. Índice de desempenho do parafuso de alta resistência
Os níveis de resistência dos parafusos de alta resistência são divididos em quatro categorias: 8,8, 9,8, 10,9 e 12,9. Consulte a Tabela 1 para obter as propriedades mecânicas dos parafusos em cada nível.
Com base na qualidade do aço para parafusos de alta resistência, ele pode ser dividido em três categorias: qualidade atual, qualidade potencial e qualidade final.
- A qualidade atual refere-se principalmente às características mais fundamentais do forjamento, como baixa resistência à deformação, boa qualidade do aço, fácil recalque e mínima perda de ferramentas e matrizes, que não são facilmente propensas a trincas.
- A qualidade potencial refere-se à seleção da proporção ideal de vários elementos de liga e à simplificação ou omissão do processo de tratamento térmico antes e depois do recalque, garantindo ao mesmo tempo a qualidade atual. Esta abordagem resulta em melhores propriedades funcionais do que o aço convencional.
- A qualidade final refere-se ao requisito de que o aço para parafusos de alta resistência e os parafusos de seus produtos tenham alta resistência à tração para resistir ao estiramento, quebra, deslizamento e abrasão. O material deve ter alta plasticidade e tenacidade para reduzir a sensibilidade a problemas de qualidade superficial, como deflexão e concentração de tensão de entalhe.
Os parafusos que trabalham em atmosferas úmidas ou corrosivas devem ter baixa sensibilidade à fratura retardada. Os parafusos que suportam cargas alternadas e de impacto devem ter maior resistência à fadiga e resistência à tração por múltiplos impactos para resistir à fadiga e múltiplas fraturas por impacto. Para parafusos que operam em áreas extremamente frias, são necessárias baixas temperaturas de transição dúcteis e frágeis para os materiais dos parafusos.
Tabela.1 Índices de propriedades mecânicas dos parafusos de alta resistência
| Propriedades mecânicas | Grau do parafuso | ||||
| 8.8 | 9.81040-1180 | 10.9 | 12,9 | ||
| ≤M16mm | >M16mm | ||||
| Resistência à tração/MPa | 800-980 | 830~980 | 32~39 | 1040-1180 | 1220~1380 |
| Dureza Rockwell/HRC | 22~32 | 23~34 | 10.9 | 32~39 | 39~44 |
De acordo com as condições de serviço dos parafusos de alta resistência, geralmente existem os seguintes requisitos para suas propriedades mecânicas:
- Deve ter alta resistência à tração e uma alta taxa de rendimento.
- Deve apresentar plasticidade suficiente, especialmente na zona plástica durante o aperto.
- Ele deve ser capaz de suportar apertos repetidos, o que significa que pode suportar cargas de grande amplitude de tensão várias vezes e possuir bom desempenho de fadiga de baixo ciclo.
- Deve demonstrar bom desempenho em fadiga de alto ciclo quando submetido a cargas de trabalho alternadas.
- Deve ter alta resistência ao impacto quando exposto a cargas de impacto.
- Deve possuir boa resistência à fratura retardada.
- Deve apresentar boa resistência a baixas temperaturas.
- Deve ter boa resistência à fluência e resistência ao relaxamento de tensão.
- Deve ter baixa sensibilidade ao entalhe, pois os parafusos são peças com vários entalhes.
- Deve manter um coeficiente de atrito superficial estável para obter uma pré-carga de montagem estável.
2. Status de pesquisa de parafusos de alta resistência
O uso de parafusos de alta resistência na China é relativamente recente. Foi usado pela primeira vez em algumas pontes ferroviárias na década de 1960 e mais tarde em estruturas de aço para caldeiras na década de 1980.
Na década de 1990, a China começou a introduzir carros estrangeiros e tecnologias de produção e descobriu parafusos com grau de resistência de 12,9, resistência à tração de 1.200 MPa e limite de escoamento de 1.080 MPa. Naquela época, esses parafusos tinham o nível de resistência mais alto entre os parafusos automotivos.
Depois que o Grupo FAW importou o motor Chrysler 488 dos Estados Unidos, os parafusos do volante ficaram dependentes das importações. Para conseguir a localização, o Grupo FAW identificou os materiais usados para parafusos de volante nos Estados Unidos e os parafusos de alta resistência usados para carros Audi alemães, ambos equivalentes a ML35MnMo e ML35CrMo, respectivamente, comparando a composição de produtos estrangeiros de alta resistência materiais de parafuso com os materiais existentes na China.
Portanto, ML35CrMo foi selecionado como material para a produção experimental doméstica de material de parafuso de volante de grau 12,9. A camada descarbonetada na superfície das matérias-primas foi removida pela tecnologia de descascamento de material. Após testes de forjamento a frio e têmpera final, testes de processo de recozimento, têmpera e revenimento, testes de desempenho do produto acabado, testes de bancada e testes de carga, parafusos de alta resistência com propriedades equivalentes às dos parafusos do volante do motor CA488 foram desenvolvidos com sucesso.
Wang Rongbin et al. utilizou estrutura de ripas de martensita para melhorar o desempenho de parafusos de alta resistência. Eles também podem obter parafusos de alto desempenho acima do grau 10.9 e substituir parcialmente o aço estrutural de alta qualidade temperado e revenido. O aço martensita de baixo carbono (martensita de ripas) é amplamente utilizado por sua alta resistência, plasticidade, tenacidade e baixa sensibilidade ao entalhe.
Taiyuan Iron and Steel Co., Ltd. desenvolveu uma série de aços fixadores de martensita de baixo carbono para as indústrias automobilística e de peças padrão. Por exemplo, ML15MnVB, ML20MnVB, ML15MnB e ML15Mn são usados para fazer parafusos de alta resistência de grau 8,8, 9,8 e 10,9, que alcançaram bons resultados.
Leng Guangrong e sua equipe controlaram com sucesso as propriedades do aço de liga média com baixo teor de carbono (22Cr2Ni4MoV) para atingir uma resistência à tração de 1560 MPa, alongamento de 12%, dureza de 45 HRC e energia de impacto de 60 J através de um calor apropriado. processo de tratamento.
No entanto, os parafusos de alta resistência feitos deste material mal conseguem atender aos requisitos do laminador de quatro alturas de 2.500 mm para as propriedades mecânicas dos materiais dos parafusos. Além disso, a vida útil média dos parafusos é de apenas dois meses, o que não é satisfatório em termos de durabilidade.
Para melhorar a resistência do material, Pan Zuyi et al. utilizou o material 22Cr2Ni4MoV e controlou a composição química, estrutura e propriedades por meio do processo de tratamento térmico de têmpera + têmpera em baixa temperatura ou têmpera + têmpera em alta temperatura. Isso resultou na resistência, plasticidade e tenacidade do aço sendo bem combinadas.
O aço para parafuso de alta resistência recentemente desenvolvido tem uma longa vida útil para o parafuso de junta universal de 2500 mm do moinho reversível de quatro alturas.
No entanto, quando a resistência à tração excede 1200 MPa, a fratura retardada torna-se um problema significativo. Parafusos de alta resistência são peças entalhadas e possuem alta sensibilidade ao entalhe, tornando-os suscetíveis à fratura retardada na posição de concentração de tensão do entalhe. Como resultado, o seu âmbito de aplicação é limitado.
Para resolver esta questão, Hui Weijun et al. aumentou o teor de Mo e adicionou elementos microligantes V e Nb, enquanto reduziu o teor de Mn e elementos impuros P e S, na composição do material 42CrMo. Eles desenvolveram um aço para parafuso de alta resistência ADF1, que apresenta boa resistência à fratura retardada no nível de resistência de 1300 MPa.
Análises adicionais indicam que o tamanho do grão do aço foi refinado de cerca de 12 μm para cerca de 5 μm. Este refinamento, combinado com o efeito de endurecimento secundário dos carbonetos Mo e V e o tratamento térmico cíclico, aumentou significativamente a tensão crítica de tração do entalhe.
Portanto, pode-se concluir que a resistência à fratura retardada de parafusos de alta resistência pode ser melhorada ajustando o teor de liga, adicionando elementos de liga resistentes à corrosão, refinando os grãos, reduzindo a segregação dos limites dos grãos, aumentando a temperatura de revenido e neutralizando o hidrogênio invasor.
Graças a essas medidas, a série ADS da Sumitomo Metal, a série KNDS da Kobe Iron e a série ADF do China Iron and Steel Research Institute desenvolveram com sucesso aço para parafusos de alta resistência com boa resistência à fratura retardada.
No entanto, em comparação com os países desenvolvidos, o nível de pesquisa e desenvolvimento de aço para parafusos de alta resistência na China ainda é relativamente atrasado. Atualmente, apenas materiais como ML20MnVB, ML35CrMoV e 35CrMo podem atender aos requisitos para parafusos de alta resistência grau 12,9.
Em 2005, a China ainda importava parafusos de biela de grau 12,9 usados em motores de automóveis devido à falta de aço para parafusos de alta resistência produzido internamente.
Embora Hui Weijun e outros tenham desenvolvido um material de parafuso de alta resistência de 1300 MPa, 42CrMoVNb, baseado em 42CrMo, seu desempenho em aplicações práticas precisa de mais investigação.
As propriedades do material necessárias para parafusos de alta resistência variam de acordo com os ambientes de serviço.
Yang Xinglin e seus colegas descobriram que o material 35CrMnSiA usado para parafusos de alta resistência no ambiente marinho é propenso a fraturar durante o serviço.
A análise revelou que a fratura do parafuso não foi devida à fragilização comum por hidrogênio, mas à corrosão sob tensão causada pela corrosão severa da atmosfera marinha e da água do mar nos materiais do parafuso.
Foi sugerido que a substituição do revestimento e a melhoria do nível de detecção dos produtos acabados aumentariam a resistência do parafuso à corrosão sob tensão, mas o problema dos defeitos de desempenho do material permaneceu sem solução.
Depois de considerar o ambiente de serviço, Fang Dong e sua equipe escolheram o material 16Co14Ni10Cr2Mo para substituir o 35CrMnSiA.
Este aço possui alta resistência, boa plasticidade, tenacidade e excelente desempenho geral.
Embora tenha sido amplamente utilizado na aviação, esta é a primeira vez que é utilizado na fabricação de parafusos de grandes seções e aplicado no ambiente marinho.
O teste simulado em ambiente marinho mostrou que o parafuso M56 feito de aço 16Col4Nil0Cr2MoE não quebra devido à fragilidade em baixa temperatura ou fragilidade por entalhe. Além disso, a corrosão sob tensão e a fratura por sobrecarga não ocorrem no estado de pré-aperto, mesmo se o revestimento estiver desgastado, e a operação normal não causa fratura por sobrecarga.
O produto parafuso é aplicável com segurança por um ano em uso prático. O estudo de estudiosos chineses sobre parafusos de alta resistência concentrou-se no mecanismo de fratura por fragilização por hidrogênio, na melhoria do processo de tratamento térmico e na análise de falhas de parafusos de alta resistência. Esta pesquisa fornece uma base crucial para o desenvolvimento de materiais para parafusos de alta resistência no futuro.
O desempenho de materiais de parafusos de alta resistência depende fortemente da liga e dos oligoelementos. A pesquisa mostrou que a adição de elementos de microliga, como 0,02% de Ti, ao aço não temperado e revenido pode precipitar uma fase que impede o crescimento dos grãos durante o aquecimento e o trabalho a quente, e fortalece a matriz durante o resfriamento, melhorando as propriedades gerais do aço.
No entanto, nem todos os precipitados melhoram as propriedades abrangentes do aço. Utilizando a escala Thermo e o software Dicta, foi calculada a precipitação no aço microligado 40MnV.
A composição, morfologia e distribuição dos precipitados foram estudadas através de análise eletrolítica, difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão. Os resultados indicam que uma pequena quantidade de N e Ti no aço pode causar a precipitação de partículas grossas de TiN, com tamanho de 50 nm, na zona bifásica sólido-líquido.
A teoria de Gladman sugere que as partículas (Ti, V) (C, N) precipitadas na zona bifásica sólido-líquido não podem impedir o crescimento do grão durante o aquecimento. Em vez disso, estas partículas grosseiras prejudicam as propriedades do aço.
Ao reduzir o teor de N ou Ti, a temperatura de precipitação e a quantidade de TiN na zona bifásica sólido-líquido podem ser efetivamente reduzidas, garantindo mais precipitação de VN. Cerca de 0,02% de Ti no aço microligado deve ser reduzido para uma faixa apropriada, e o teor de N também deve ser controlado na faixa apropriada.
Ao estudar a influência dos elementos de liga nas propriedades dos materiais, podemos estabelecer uma base para o desenvolvimento de novos materiais para parafusos de alta resistência. No entanto, uma composição adequada da liga por si só não pode garantir que os parafusos desenvolvidos atendam aos requisitos reais de desempenho. Somente através de um processo razoável de tratamento térmico e coordenação da dureza, resistência, plasticidade e tenacidade do material podem ser desenvolvidos parafusos com excelente desempenho.
30NCD16 é uma liga de aço de alta resistência com robusta resistência ao calor e alta resistência e tenacidade após revenido em temperatura média-alta. Liu Xiangjiang e Liu Hua estudaram a influência da temperatura de têmpera e revenido na estrutura e propriedades do 30NCD16.
Eles determinaram que o processo de tratamento térmico ideal para o aço de alta resistência 30NCD16 está entre 840 e 870 ℃. Após têmpera e revenido a 560 ℃, uma estrutura de sorbite fina e uniforme pode ser obtida. A resistência à tração do aço é superior a 1200 MPa e a energia de impacto Akus é superior a 50 J.
Wang Genji et al. estudaram o efeito de diferentes processos de tratamento térmico na microestrutura e nas propriedades mecânicas da chapa espessa de aço de baixa liga e alta resistência Q390 usando observação da microestrutura e medição de propriedades mecânicas.
Os resultados mostram que a normalização a 920 ℃ por 36 min pode austenitizar completamente a estrutura cristalina mista na placa de aço de baixa liga e alta resistência Q390 laminada a quente, alcançando o refinamento do grão. O resfriamento subsequente o transforma em ferrita poligonal e perlita, resultando em excelentes propriedades mecânicas abrangentes.
O alongamento e a resistência ao impacto do aço CrNiMoBNb16-16 são significativamente maiores do que aqueles no estado laminado a quente, e o fenômeno de delaminação por fratura por tração é completamente eliminado. Este aço de alta liga é um material importante para a produção industrial, usado principalmente como material de parafuso em aplicações que exigem resistência a altas temperaturas, como turbinas a vapor, turbinas a gás, motores, reatores químicos e equipamentos térmicos de alta pressão.
He Wei et al. analisaram a relação entre a estrutura e as propriedades mecânicas do aço CrNiMoBNb16-16 sob duas perspectivas: a influência dos processos de tratamento térmico nas propriedades de tração em temperatura ambiente e altas e a influência da temperatura de teste nas propriedades de tração.
Os resultados do teste indicam que com o aumento da temperatura do teste (20 ～ 650 ℃), a resistência e a plasticidade do material diminuem significativamente. Para este material, o forjamento a quente apresenta melhor desempenho abrangente do que o forjamento a alta temperatura. Consequentemente, o forjamento a quente é determinado como o tratamento termomecânico ideal para este material, resultando na melhor combinação entre resistência e tenacidade.
Para a maioria dos aços estruturais de liga, a resistência à tração pode ser aumentada para 1200MPa ajustando a composição da liga e realizando o tratamento térmico adequado. Porém, aumentar ainda mais a resistência pode reduzir o valor de uso do material e causar maior insegurança devido à fratura retardada.
Os resultados mostram que a resistência à fratura retardada do aço de alta resistência pode ser melhorada reduzindo a segregação dos limites dos grãos, refinando os grãos, aumentando a temperatura de revenido, ajustando os elementos de liga, reduzindo a quantidade de intrusão de hidrogênio na superfície e tornando a intrusão de hidrogênio inofensiva.
3. Materiais comuns de parafusos de alta resistência e seu mecanismo de fortalecimento e tenacidade
3.1 Aço de baixa liga
Os aços de baixa liga normalmente contêm uma quantidade média de carbono. A composição da liga inclui as séries Cr, Cr Mo, Cr Ni, Ni Cr Mo, Mn e Mn Cr.
A Tabela 2 mostra que o aço para parafusos de baixa liga tem uma ampla gama de aplicações e o grau de resistência pode ser selecionado de 700 a 1000 MPa.
Contudo, quando a resistência excede 1200 MPa, o problema da falha retardada de parafusos feitos de aço de baixa liga torna-se proeminente e precisa ser resolvido.
Atualmente, o aço de baixa liga ainda é o principal material para parafusos de alta resistência.
Parafusos feitos de aço de baixa liga requerem têmpera e revenido, o que significa que primeiro devem ser temperados e depois revenidos.
Além disso, devido ao alto teor de carbono e elementos de liga, o aço possui alta dureza e resistência à deformação.
Portanto, o tratamento de recozimento esferoidizante é necessário antes do forjamento a frio.
Como o aço de baixa liga contém vários elementos de liga, encontrar maneiras de economizar a liga no aço para parafusos e reduzir custos é uma questão crítica a ser considerada.
Além disso, devido ao teor relativamente elevado de carbono e elementos de liga, a plasticidade e a tenacidade do aço são fracas.
Para aumentar ainda mais a resistência e garantir a plasticidade necessária, esta questão requer mais pesquisas.
Tab.2 Grau de resistência MPa de alguns aços para parafusos
| Tipo de Aço | 400 | 500~600 | 700~800 | 900~1000 | 1100 |
| Aço carbono | √ | √ | √ | ||
| aço não temperado e temperado | √ | ||||
| aço ao boro | √ | √ | √ | ||
| aço de liga leve | √ | √ | √ |
3.2 Aço boro
Com o desenvolvimento da tecnologia de forjamento a frio, houve um aumento significativo na demanda por aço para parafusos forjados a frio.
Os parafusos de alta resistência eram tradicionalmente feitos de aço de médio carbono e aço de liga de médio carbono. No entanto, esses aços apresentam alta dureza e significativa resistência à deformação a frio, necessitando de tratamento de recozimento esferoidizante antes do forjamento a frio. Este processo consome muita energia.
Para resolver esse problema, foi desenvolvido aço com baixo teor de carbono e boro. O princípio básico do projeto da composição do aço com baixo teor de carbono e boro é reduzir o teor de carbono e melhorar a capacidade de deformação a frio do aço. Uma pequena quantidade de boro é adicionada para compensar a perda de resistência e temperabilidade causada pela redução de carbono. Além disso, pequenas quantidades de Cr, Mn e outros elementos de liga podem ser adicionados conforme necessário para melhorar ainda mais a temperabilidade.
As características do aço com baixo teor de carbono e boro são as seguintes:
- Uma pequena quantidade de boro pode substituir uma grande quantidade de elementos de liga, tornando-o mais econômico.
- Os produtos laminados podem ser forjados diretamente a frio sem tratamento de pré-esferoidização devido ao baixo teor de carbono e elementos de liga. Isso economiza muita energia.
- A tendência de têmpera, deformação e trincas é mínima, possibilitando o tratamento do aço por têmpera com água, economizando óleo de têmpera e melhorando as condições de operação e o ambiente de trabalho.
- O aço com baixo teor de carbono e boro tem excelentes propriedades, incluindo melhor tenacidade em comparação com aço-liga de médio carbono no mesmo nível de resistência, alta resistência à falha por fadiga e baixa sensibilidade à descarbonetação.
Os parafusos de aço ao boro têm sido cada vez mais utilizados nas indústrias automobilística, de construção, de máquinas e outras indústrias. Como ilustra a Tabela 2, parafusos com resistência variando de 700 MPa a 1100 MPa podem ser feitos de aço ao boro.
3.3 Aço não temperado e revenido
O aço não temperado e revenido contém uma pequena quantidade de elementos de liga e não requer têmpera e revenido. Ao controlar a deformação no trabalho a quente e a subsequente taxa de resfriamento, as propriedades mecânicas necessárias podem ser garantidas, economizando o consumo de energia para tratamento térmico, encurtando o ciclo de produção e reduzindo o custo do aço.
Atualmente, os parafusos de aço não temperado e temperado são utilizados principalmente na fabricação de automóveis, mas seu número total ainda é pequeno e seu escopo de aplicação não é amplo. Embora seu custo seja inferior ao do aço temperado e revenido, sua tenacidade é menor, o nível de resistência não é suficientemente estável e a vida útil da matriz é menor durante o forjamento a frio. Estas limitações restringem o escopo de aplicação de aços não temperados e revenidos.
O aço não temperado e revenido é usado principalmente para parafusos de grau 700-800 MPa e, às vezes, para parafusos acima de 900 MPa. Normalmente, sistemas C-Mn não temperados e revenidos com um teor de carbono de cerca de 0,25% ou sistemas C-Mo com um teor de carbono de cerca de 0,10% são usados para parafusos de grau 700-800 MPa. Vestígios de Nb, V, Ti e outros elementos são adicionados, e a estrutura é ferrita + perlita.
Quando o nível de resistência está acima de 900 MPa, Cr, Ti, B e outros elementos são geralmente adicionados ao sistema C-Mo Si contendo cerca de 0,10% de carbono para melhorar a temperabilidade e garantir resistência e tenacidade satisfatórias. A estrutura é ferrita+bainita.
Para melhorar a tenacidade do aço não temperado e revenido e obter resistência e tenacidade adequadas, ajustar a tecnologia de processamento (como temperatura de trabalho a quente, deformação de laminação e resfriamento controlado após laminação), além de controlar a composição química também pode seja uma solução.
3.4 Aço martensítico de baixo carbono
Todo aço não ligado (aço carbono) ou aço estrutural de baixo carbono e baixa liga com um teor de carbono inferior a 0,25% pode obter mais de 80% e às vezes até 100% de estrutura de martensita de baixo carbono após têmpera intensiva.
Este tipo de aço é comumente referido como aço martensita de baixo carbono. Tem uma dureza de 45-50 HRC, uma resistência ao escoamento de 1000-1300 MPa e uma resistência à tração de 1200-1600 MPa.
Apresenta boa plasticidade (A ≥ 10%, Z ≥ 40%) e tenacidade (Axv ≥ 59 J), juntamente com excelente trabalhabilidade a frio, soldabilidade e mínima distorção do tratamento térmico.
Como resultado, o uso de aço martensita com baixo teor de carbono está cada vez mais difundido e tornou-se uma forma crucial de liberar o potencial de resistência e tenacidade do aço e prolongar a vida útil das peças das máquinas.
Os materiais comumente utilizados na produção de parafusos de alta resistência incluem 15MnVB, 20MnSi, aço 20, 20MnTiB e assim por diante.
3.5 Mecanismo de fortalecimento e endurecimento
Os mecanismos que fortalecem e endurecem o aço de alta resistência incluem principalmente o reforço de grãos finos, o reforço da solução, o reforço da precipitação e da dispersão e o reforço das deslocações.
1) Fortalecimento de grãos finos.
Ao aumentar os limites dos grãos para obstruir o movimento das discordâncias e restringir a deformação plástica dentro de uma certa faixa, é possível melhorar a plasticidade do aço. Isso não apenas aumenta efetivamente a resistência, mas também otimiza significativamente a plasticidade e a resistência.
Atualmente, a tecnologia de laminação controlada e resfriamento controlado (TMCP) é amplamente utilizada na indústria. Envolve o refinamento da estrutura final por meio de recristalização de austenita, transformação de ferrita induzida por deformação (DIFT), resfriamento acelerado e recristalização de ferrita.
2) Fortalecimento da solução
A matriz metálica (metal solvente) pode ser reforçada utilizando os defeitos pontuais internos dos materiais metálicos, como átomos intersticiais e átomos de substituição.
À medida que a diferença nos diâmetros atômicos aumenta, o grau de distorção também aumenta, o que leva a um maior efeito de fortalecimento.
Além disso, a adição de elementos como Mn, Si, Ni, Mo ao Fe pode causar fortalecimento da solução sólida do tipo deslocamento.
3) Fortalecimento da precipitação e dispersão
Quando as partículas da segunda fase precipitam, elas criam um campo de tensão e uma região de alta energia na matriz, resultando num aumento acentuado na resistência, dureza e fortalecimento geral.
Pode-se concluir que:
- Quanto maior for a proporção de volume da fase precipitada, mais significativo será o efeito de fortalecimento.
- Quanto maior for a dispersão da segunda fase, melhor será o efeito fortalecedor.
- Quanto maior for a resistência das partículas da segunda fase ao movimento de discordância, maior será o efeito de fortalecimento.
4) Fortalecimento da luxação
É um desafio mover deslocamentos devido à sua alta densidade.
Uma propriedade mecânica dos metais é a melhoria da resistência. A multiplicação de discordâncias pode fortalecer metais reais com defeitos cristalinos.
O movimento das discordâncias é a principal razão para o fortalecimento da solução, o fortalecimento dos grãos finos, a precipitação e o fortalecimento da dispersão.
Os microdefeitos da estrutura da matriz, incluindo limites de grão, partículas de precipitação, subestrutura de deslocamento e distorção da solução, afetam principalmente a resistência e a tenacidade dos materiais dos parafusos de alta resistência.
As estruturas de micro defeitos mencionadas acima podem melhorar a resistência do aço. No entanto, embora um aumento nos limites dos grãos (ou seja, o fortalecimento dos grãos finos) possa aumentar a tenacidade, outras estruturas de microdefeitos podem reduzir a tenacidade.
Para fortalecer materiais de parafusos de alta resistência, é necessário utilizar plenamente estes mecanismos de reforço.
4. Perspectiva de pesquisa de materiais para parafusos de alta resistência
Com o avanço dos setores de energia, automobilístico, maquinário, construção, indústria leve e outros, há uma demanda crescente por materiais para produzir vários tipos de parafusos de fixação, levando a uma necessidade urgente de materiais para parafusos de alta resistência.
Na última década, uma ênfase significativa foi colocada no avanço desta tecnologia, tanto nacional quanto internacionalmente. Na China, foi iniciado o projeto “Principal pesquisa básica em materiais de aço de nova geração” (973), que inclui pesquisa e desenvolvimento de aço para parafusos de alta resistência como uma de suas áreas críticas.
A tendência de desenvolvimento de aço para parafusos de alta resistência pode ser resumida da seguinte forma:
1) Aço de alta resistência e alto desempenho
Com o aumento da resistência do aço, aumenta também a sua suscetibilidade à fratura retardada. Especificamente, quando a resistência à tração excede 900 MPa e a dureza é igual ou superior a 31 HRC, a sensibilidade à fratura retardada aumenta gradualmente. Além disso, quanto maior for a tensão de serviço, mais extenso será o dano causado pela fratura.
Por esta razão, é crucial desenvolver aços para parafusos de alta resistência com excepcional resistência à fratura retardada. Isso ajudará a proteger a vida e a propriedade das pessoas, ao mesmo tempo que expandirá a gama de aplicações para parafusos de alta resistência.
2) Reduzir custos e consumo de energia
Para reduzir custos, considere substituir o aço barato ao boro por ligas de aço de alto preço contendo Ni, Cr, Mo, etc.
Além disso, as técnicas a seguir podem ajudar a reduzir o consumo de energia, melhorar o rendimento dos parafusos e minimizar a tendência de descarbonetação das pontas das roscas:
- Use forjamento a frio em vez de forjamento a quente
- Use aço não temperado e temperado para reduzir o processo de tratamento térmico
- Use aço não recozido com baixo teor de carbono que não requer tratamento de amolecimento antes do forjamento
- Use produtos laminados de alta precisão que não precisam ser descascados e estirados.
3) Melhorar a qualidade e confiabilidade do aço para parafusos
A confiabilidade e a vida útil das peças dos parafusos estão intimamente relacionadas à qualidade metalúrgica e à condição da superfície do aço dos parafusos, bem como a algumas propriedades de processamento.
Ao aumentar a pureza do aço e reduzir o teor de S e P, a capacidade de deformação do aço pode ser melhorada. Isto reduz a fragilização dos limites dos grãos e a presença de inclusões não metálicas, aumentando assim a tenacidade e a plasticidade do aço. Também melhora a resistência à fratura retardada do aço.
Além disso, a precisão da fabricação, a tecnologia de fixação e os métodos de teste dos parafusos acabados são fatores cruciais que afetam a confiabilidade dos parafusos de alta resistência.
