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Materiales para pernos de alta resistencia: Tendencias y últimos avances

Resumen: La creciente demanda de pernos de alta resistencia, junto con la ampliación de sus campos de aplicación, ha dado lugar a mayores requisitos de rendimiento para el acero de pernos de alta resistencia. El acero no sólo debe presentar una alta resistencia, sino también garantizar un rendimiento fiable.

Este artículo explora el estado actual de la investigación, los mecanismos de refuerzo y los materiales más utilizados para los pernos de alta resistencia, y destaca las tendencias futuras en su desarrollo.

Las fijaciones, como los pernos, desempeñan un papel fundamental en la conexión, posicionamiento y sellado de componentes mecánicos. Los pernos son el tipo de tornillo más utilizado.

A medida que la maquinaria, los equipos y los proyectos de construcción siguen ampliándose y mejorando en términos de potencia y velocidad, las condiciones de trabajo y los niveles de tensión de los pernos son cada vez más exigentes. Esto ha dado lugar a una necesidad de acero para pernos de mayor resistencia.

Por ejemplo, las bombas de agua de alimentación de alta presión utilizadas en unidades generadoras supercríticas y ultrasupercríticas requieren pernos más resistentes para garantizar que sus funciones de sellado y soporte de presión puedan cumplir los requisitos cada vez mayores de presión de suministro de agua.

Los pernos de alta resistencia también son componentes cruciales en la construcción de grandes estructuras reticulares de edificios, como las que se encuentran en los edificios públicos. Estos pernos transmiten fuerzas internas alternas causadas por cargas alternas y están directamente relacionados con la seguridad pública.

Los tornillos originales utilizados en automóviles y motocicletas, especialmente los del motor, tienen dificultades para cumplir los elevados requisitos de tensión de los motores. Los tornillos de alta resistencia pueden reducir el tamaño y la masa de los tornillos, lo que puede ayudar a reducir el peso del vehículo y el consumo de energía.

Además, la gran resistencia de los tornillos contribuye a la miniaturización y compacidad de otras estructuras del automóvil.

En conclusión, los tornillos de alta resistencia tienen un importante valor práctico y un futuro prometedor para una amplia gama de aplicaciones.

1. Índice de rendimiento del perno de alta resistencia

Los niveles de resistencia de los tornillos de alta resistencia se dividen en cuatro categorías: 8.8, 9.8, 10.9 y 12.9. Consulte en la Tabla 1 las propiedades mecánicas de los tornillos de cada nivel.

En función de la calidad del acero para pernos de alta resistencia, puede dividirse en tres categorías: calidad actual, calidad potencial y calidad final.

  • La calidad actual se refiere principalmente a las características de forja más fundamentales, como la baja resistencia a la deformación, la buena calidad del acero, la facilidad de recalcado y la mínima pérdida de herramientas y matrices, que no son fácilmente propensas al agrietamiento.
  • La calidad potencial se refiere a la selección de la proporción óptima de diversos elementos de aleación y la simplificación u omisión del proceso de tratamiento térmico antes y después del recalcado, garantizando al mismo tiempo la calidad actual. Este enfoque da lugar a mejores propiedades funcionales que el acero convencional.
  • La calidad final se refiere al requisito de que el acero para pernos de alta resistencia y los pernos de sus productos deben tener una alta resistencia a la tracción para resistir el estiramiento, la rotura, el deslizamiento y la abrasión. El material debe tener una elevada plasticidad y tenacidad para reducir la sensibilidad a los problemas de calidad superficial, como la deflexión y la concentración de tensiones en las muescas.

Los pernos que trabajan en atmósferas húmedas o corrosivas deben tener una baja sensibilidad a la fractura retardada. Los pernos que soportan cargas alternas y de impacto deben tener una mayor resistencia a la fatiga y a la tracción por impacto múltiple para resistir la fatiga y las fracturas por impacto múltiple. Para los pernos que trabajan en zonas muy frías, es necesario que los materiales de los pernos tengan bajas temperaturas de transición dúctil a frágil.

Cuadro.1 Índices de perno de alta resistenciapropiedades mecánicas

Propiedades mecánicasCalidad de los tornillos
8.89.81040-118010.912.9
≤M16mm>M16mm
Resistencia a la tracción/MPa800-980830~98032~391040-11801220~1380
Dureza Rockwell/HRC22~3223~3410.932~3939~44

Según las condiciones de servicio de los tornillos de alta resistencia, sus propiedades mecánicas suelen cumplir los siguientes requisitos:

  1. Debe tener una alta resistencia a la tracción y un alto límite elástico.
  2. Debe presentar suficiente plasticidad, especialmente en la zona plástica durante el apriete.
  3. Debe ser capaz de soportar un apriete repetido, lo que significa que puede soportar cargas de gran amplitud de tensión varias veces, y poseer un buen comportamiento a la fatiga de bajo ciclo.
  4. Debe demostrar un buen comportamiento a la fatiga de alto ciclo cuando se somete a cargas de trabajo alternas.
  5. Debe tener una alta tenacidad al impacto cuando se expone a cargas de impacto.
  6. Debe poseer una buena resistencia a la fractura retardada.
  7. Debe presentar una buena resistencia a las bajas temperaturas.
  8. Debe tener una buena resistencia a la fluencia y a la relajación de tensiones.
  9. Debe tener una sensibilidad de muesca baja, ya que los tornillos son piezas de varias muescas.
  10. Debe mantener un coeficiente de fricción superficial estable para obtener una precarga de montaje estable.

2. Estado de la investigación sobre tornillos de alta resistencia

El uso de pernos de alta resistencia en China es relativamente reciente. Se utilizó por primera vez en algunos puentes ferroviarios en la década de 1960 y, más tarde, en estructuras de acero para calderas en la década de 1980.

En la década de 1990, China empezó a introducir automóviles y tecnologías de producción extranjeros y descubrió tornillos con un grado de resistencia de 12,9, una resistencia a la tracción de 1200 MPa, y límite elástico de 1080 MPa. En aquel momento, estos pernos eran los de mayor nivel de resistencia entre los pernos de automoción.

Después de que el Grupo FAW importara el motor Chrysler 488 de Estados Unidos, los tornillos del volante dependían de las importaciones. Para lograr la localización, el Grupo FAW identificó los materiales utilizados para los pernos del volante de inercia en Estados Unidos y los pernos de alta resistencia utilizados para los automóviles Audi alemanes, ambos equivalentes a ML35MnMo y ML35CrMo, respectivamente, comparando la composición de los materiales extranjeros de los pernos de alta resistencia con los materiales existentes en China.

Por lo tanto, se seleccionó ML35CrMo como material para la producción nacional de prueba de material de pernos de volante de grado 12.9. La capa descarburada de la superficie de las materias primas se eliminó mediante la tecnología de pelado del material. Después de la forja en frío y las pruebas de temple final, recocidoMediante pruebas de proceso de temple y revenido, pruebas de rendimiento del producto acabado, pruebas de banco y pruebas de carga, se desarrollaron con éxito pernos de alta resistencia con propiedades equivalentes a las de los pernos del volante del motor CA488.

Wang Rongbin et al. utilizaron listones estructura martensítica para mejorar el rendimiento de los pernos de alta resistencia. También pueden obtener pernos de alto rendimiento por encima del grado 10.9 y sustituir parcialmente a templado y revenido acero estructural de alta calidad. El acero martensítico de bajo contenido en carbono (martensita de listón) se utiliza ampliamente por su alta resistencia, plasticidad, tenacidad y baja sensibilidad a la entalla.

Taiyuan Iron and Steel Co., Ltd. ha desarrollado una serie de aceros de fijación de martensita con bajo contenido en carbono para las industrias del automóvil y de piezas estándar. Por ejemplo, los aceros ML15MnVB, ML20MnVB, ML15MnB y ML15Mn se utilizan para fabricar pernos de alta resistencia de grado 8.8, 9.8 y 10.9, con los que se han obtenido buenos resultados.

Leng Guangrong y su equipo han controlado con éxito las propiedades del acero de aleación media con bajo contenido en carbono (22Cr2Ni4MoV) para conseguir una resistencia a la tracción de 1560 MPa, un alargamiento de 12%, una dureza de 45 HRC y una energía de impacto de 60 J mediante un proceso de tratamiento térmico adecuado.

Sin embargo, los pernos de alta resistencia fabricados con este material apenas pueden cumplir los requisitos del laminador de cuatro alturas de 2500 mm en cuanto a las propiedades mecánicas de los materiales de los pernos. Además, la vida útil media de los pernos es de solo dos meses, lo que no es satisfactorio en términos de durabilidad.

Con el fin de mejorar la resistencia del material, Pan Zuyi et al. utilizaron el material 22Cr2Ni4MoV y controlaron la composición química, la estructura y las propiedades mediante el temple + revenido a baja temperatura o el temple + revenido a alta temperatura. tratamiento térmico de revenido proceso. El resultado es que la resistencia, la plasticidad y la tenacidad del acero están bien adaptadas.

El nuevo acero para pernos de alta resistencia tiene una larga vida útil para el perno de junta universal de 2500 mm del molino reversible de cuatro alturas.

Sin embargo, cuando la resistencia a la tracción supera los 1200 MPa, la fractura retardada se convierte en un problema importante. Los pernos de alta resistencia son piezas entalladas y tienen una alta sensibilidad a la entalladura, por lo que son susceptibles a la fractura retardada en la posición de concentración de tensiones de entalladura. En consecuencia, su ámbito de aplicación es limitado.

Para resolver este problema, Hui Weijun et al. aumentaron el contenido de Mo y añadieron elementos de microaleación V y Nb, al tiempo que redujeron el contenido de Mn y de elementos de impureza P y S, en el 42CrMo composición del material. Desarrollaron un acero para pernos de alta resistencia ADF1, que presenta una buena resistencia a la fractura retardada con un nivel de resistencia de 1300 MPa.

Análisis posteriores indican que el tamaño de grano del acero se ha refinado de unos 12 μm a unos 5 μm. Este refinamiento, combinado con el efecto de endurecimiento secundario de los carburos de Mo y V y el tratamiento térmico cíclico, ha aumentado significativamente la tensión crítica de tracción de la entalla.

Por lo tanto, puede concluirse que la resistencia a la fractura retardada de los pernos de alta resistencia puede mejorarse ajustando el contenido de aleación, añadiendo elementos de aleación resistentes a la corrosión, refinando los granos, reduciendo la segregación de los límites de grano, aumentando la temperatura de revenido y neutralizando el hidrógeno invasor.

Gracias a estas medidas, la serie ADS de Sumitomo Metal, la serie KNDS de Kobe Iron y la serie ADF del Instituto de Investigación del Hierro y el Acero de China han desarrollado con éxito un acero para pernos de alta resistencia con buena resistencia a la fractura retardada.

Sin embargo, en comparación con los países desarrollados, el nivel de investigación y desarrollo de acero de alta resistencia para pernos en China sigue estando relativamente atrasado. Actualmente, sólo materiales como ML20MnVB, ML35CrMoV y 35CrMo pueden cumplir los requisitos de los pernos de alta resistencia de grado 12.9.

En 2005, China seguía importando los pernos de biela de grado 12,9 utilizados en los motores de automóviles debido a la falta de producción nacional de acero de alta resistencia para pernos.

Aunque Hui Weijun y otros han desarrollado un material para pernos de alta resistencia de 1300 MPa, 42CrMoVNb, basado en 42CrMo, su rendimiento en aplicaciones prácticas requiere más investigación.

En propiedades del material requeridos para los pernos de alta resistencia varían en función de los entornos de servicio.

Yang Xinglin y sus colegas descubrieron que el material 35CrMnSiA utilizado para pernos de alta resistencia en el medio marino es propenso a fracturarse durante el servicio.

Los análisis revelaron que la fractura del perno no se debió a un proceso ordinario. fragilización por hidrógenosino a la corrosión bajo tensión causada por la corrosión severa de la atmósfera marina y el agua de mar en los materiales de los pernos.

Se sugirió que la sustitución del revestimiento y la mejora del nivel de detección de los productos acabados aumentarían la resistencia del perno al agrietamiento por corrosión bajo tensión, pero el problema de la rendimiento del material defectos seguían sin resolverse.

Tras considerar el entorno de servicio, Fang Dong y su equipo eligieron el material 16Co14Ni10Cr2Mo para sustituir al 35CrMnSiA.

Este acero presenta una gran resistencia, buena plasticidad, tenacidad y un excelente rendimiento general.

Aunque se ha utilizado ampliamente en la aviación, es la primera vez que se emplea para fabricar pernos de gran sección y se aplica en el medio marino.

La prueba de entorno marino simulado ha demostrado que el perno M56 fabricado con acero 16Col4Nil0Cr2MoE no se rompe por fragilidad a baja temperatura ni por fragilidad de entalla. Además, el agrietamiento por corrosión bajo tensión y la fractura por sobrecarga no se producen en el estado de preapriete, aunque el revestimiento esté desgastado, y el funcionamiento normal no causa fractura por sobrecarga.

El producto perno es aplicable con seguridad durante un año en uso práctico. El estudio de los expertos chinos sobre pernos de alta resistencia se ha centrado en el mecanismo de fractura por fragilización por hidrógeno, la mejora del proceso de tratamiento térmico y el análisis de fallos de los pernos de alta resistencia. Esta investigación proporciona una base crucial para el desarrollo de materiales de pernos de alta resistencia en el futuro.

El rendimiento de los materiales para pernos de alta resistencia depende en gran medida de la aleación y los oligoelementos. La investigación ha demostrado que la adición de elementos microaleantes, como 0,02% Ti, al acero no templado y revenido puede precipitar una fase que impide el crecimiento del grano durante el calentamiento y el trabajo en caliente, y refuerza la matriz durante el enfriamiento, mejorando las propiedades generales del acero.

Sin embargo, no todos los precipitados mejoran las propiedades integrales del acero. Utilizando Thermo scale y el software Dicta, se calculó la precipitación en el acero microaleado 40MnV.

La composición, morfología y distribución de los precipitados se estudiaron mediante análisis electrolítico, difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión. Los resultados indican que una pequeña cantidad de N y Ti en el acero puede provocar la precipitación de partículas gruesas de TiN, de 50 nm de tamaño, en la zona bifásica sólido-líquido.

La teoría de Gladman sugiere que las partículas (Ti, V) (C, N) precipitadas en la zona bifásica sólido-líquido no pueden impedir el crecimiento del grano durante el calentamiento. Por el contrario, estas partículas gruesas perjudican las propiedades del acero.

Reduciendo el contenido de N o Ti, se puede reducir eficazmente la temperatura de precipitación y la cantidad de TiN en la zona bifásica sólido-líquido, garantizando una mayor precipitación de VN. Alrededor de 0,02% Ti en el acero microaleado debe reducirse a un rango apropiado, y el contenido de N también debe controlarse en el rango apropiado.

El estudio de la influencia de los elementos de aleación en las propiedades de los materiales permite sentar las bases para el desarrollo de nuevos materiales para pernos de alta resistencia. Sin embargo, una composición de aleación adecuada no puede garantizar por sí sola que los pernos desarrollados cumplan los requisitos de rendimiento reales. Sólo mediante un proceso de tratamiento térmico razonable y la coordinación de la dureza, la resistencia, la plasticidad y la tenacidad del material se pueden desarrollar pernos con un rendimiento excelente.

30NCD16 es un producto de alta resistencia acero aleado con una robusta resistencia al calor y una alta resistencia y tenacidad tras el revenido a temperatura media-alta. Liu Xiangjiang y Liu Hua estudiaron la influencia de la temperatura de temple y revenido en la estructura y las propiedades del 30NCD16.

Determinaron que el proceso de tratamiento térmico óptimo para el acero de alta resistencia 30NCD16 se sitúa entre 840 y 870 ℃. Tras el temple y revenido a 560 ℃, puede obtenerse una estructura de sorbita fina y uniforme. La resistencia a la tracción del acero es superior a 1200 MPa, y la energía de impacto Akus es superior a 50 J.

Wang Genji et al. estudiaron el efecto de diferentes procesos de tratamiento térmico sobre la microestructura y las propiedades mecánicas del acero Q390 de baja aleación y alta resistencia. chapa gruesa mediante la observación de la microestructura y la medición de las propiedades mecánicas.

Los resultados muestran que la normalización a 920 ℃ durante 36 min puede austenizar completamente la estructura cristalina mixta en el Q390 laminado en caliente de baja aleación y alta resistencia. chapa de aceroEl enfriamiento posterior la transforma en ferrita poligonal y perlita. El enfriamiento posterior la transforma en ferrita poligonal y perlita, dando lugar a excelentes propiedades mecánicas integrales.

El alargamiento y la tenacidad al impacto del acero CrNiMoBNb16-16 son significativamente superiores a los del estado laminado en caliente, y la fractura por tracción se elimina por completo el fenómeno de la delaminación. Este acero de alta aleación es un material importante para la producción industrial, utilizado principalmente como material de pernos en aplicaciones que requieren resistencia a altas temperaturas, como turbinas de vapor, turbinas de gas, motores, reactores químicos y equipos térmicos de alta presión.

He Wei et al. analizaron la relación entre la estructura y las propiedades mecánicas del acero CrNiMoBNb16-16 desde dos perspectivas: la influencia de los procesos de tratamiento térmico en las propiedades de tracción a temperatura ambiente y alta temperatura y la influencia de la temperatura de ensayo en las propiedades de tracción.

Los resultados de las pruebas indican que con el aumento de la temperatura de prueba (20 ~ 650 ℃), la resistencia y la plasticidad del material disminuyen significativamente. Para este material, la forja en caliente muestra un mejor rendimiento integral que la forja a alta temperatura. En consecuencia, se determina que la forja en caliente es la óptima termomecánica para este material, dando como resultado la mejor combinación de resistencia y tenacidad.

En la mayoría de los aceros estructurales aleados, la resistencia a la tracción puede aumentarse hasta 1200MPa ajustando la composición de la aleación y realizando un tratamiento térmico adecuado. Sin embargo, aumentar aún más la resistencia puede reducir el valor de uso del material y provocar una mayor inseguridad debido al retraso de la fractura.

Los resultados muestran que la resistencia a la fractura retardada de acero de alta resistencia puede mejorarse reduciendo la segregación de los límites de grano, refinando los granos, aumentando la temperatura de revenido, ajustando los elementos de aleación, reduciendo la cantidad de intrusión de hidrógeno en la superficie y haciendo que la intrusión de hidrógeno sea inocua.

3. Materiales comunes de los pernos de alta resistencia y su mecanismo de refuerzo y endurecimiento

3.1 Acero de baja aleación

Los aceros de baja aleación suelen contener una cantidad media de carbono. La composición de la aleación incluye las series Cr, Cr Mo, Cr Ni, Ni Cr Mo, Mn y Mn Cr.

La tabla 2 muestra que el acero para pernos de baja aleación tiene una amplia gama de aplicaciones, y el grado de resistencia puede seleccionarse entre 700 y 1000 MPa.

Sin embargo, cuando la resistencia supera los 1200 MPa, el problema del fallo retardado de los pernos fabricados con acero de baja aleación se vuelve prominente y es necesario abordarlo.

En la actualidad, el acero de baja aleación sigue siendo el principal material de los pernos de alta resistencia.

Los pernos de acero de baja aleación requieren temple y revenido, lo que significa que primero deben templarse y luego revenirse.

Además, debido al alto contenido de carbono y elementos de aleación, el acero tiene una gran dureza y resistencia a la deformación.

Por lo tanto, es necesario un tratamiento de recocido de esferoidización antes de la forja en frío.

Dado que el acero de baja aleación contiene varios elementos de aleación, encontrar formas de ahorrar la aleación en el acero para pernos y reducir los costes es una cuestión fundamental a tener en cuenta.

Además, debido al contenido relativamente alto de carbono y elementos de aleación, la plasticidad y tenacidad del acero son escasas.

Para mejorar aún más la resistencia y garantizar la plasticidad necesaria, esta cuestión requiere más investigación.

Tab.2 Grado de resistencia de algunos aceros para pernos MPa

Tipo de acero400500~600700~800900~10001100
acero al carbono  
acero no templado y revenido    
acero al boro  
acero de baja aleación  

3.2 Acero al boro

Con el desarrollo de la tecnología de forja en frío, se ha producido un aumento significativo de la demanda de acero para pernos de forja en frío.

Tradicionalmente, los tornillos de alta resistencia se fabricaban con acero de carbono medio y acero de carbono medio. acero aleado al carbono. Sin embargo, estos aceros tienen una gran dureza y una importante resistencia a la deformación en frío, por lo que es necesario esferoidizarlos. recocido tratamiento antes de la forja en frío. Este proceso consume mucha energía.

Para resolver este problema, se ha desarrollado el acero al boro de bajo contenido en carbono. El principio básico del diseño de la composición del acero al boro de bajo contenido en carbono es reducir el contenido en carbono y mejorar la capacidad de deformación en frío del acero. Se añade una pequeña cantidad de boro para compensar la pérdida de resistencia y templabilidad causada por la reducción de carbono. Además, pueden añadirse pequeñas cantidades de Cr, Mn y otros elementos de aleación según sea necesario para mejorar aún más la templabilidad.

Las características del acero al boro de bajo contenido en carbono son las siguientes:

  1. Una pequeña cantidad de boro puede sustituir a una gran cantidad de elementos de aleación, por lo que resulta más rentable.
  2. Los productos laminados pueden forjarse directamente en frío sin tratamiento previo de esferoidización debido al bajo contenido de carbono y elementos de aleación. Esto ahorra mucha energía.
  3. La tendencia a la deformación por temple y al agrietamiento es mínima, lo que permite tratar el acero por enfriamiento en aguaAhorro de aceite de temple y mejora de las condiciones de funcionamiento y del entorno de trabajo.
  4. El acero al boro con bajo contenido en carbono tiene excelentes propiedades, entre las que se incluyen una mayor tenacidad en comparación con el acero aleado con contenido medio en carbono al mismo nivel de resistencia, una alta resistencia al fallo por fatiga y una baja descarburización sensibilidad.

Los pernos de acero al boro se utilizan cada vez más en la industria del automóvil, la construcción, la maquinaria y otros sectores. Como ilustra la Tabla 2, los pernos con una resistencia que va de 700 MPa a 1100 MPa puede ser de acero al boro.

3.3 Acero no templado y revenido

El acero no templado y revenido contiene una pequeña cantidad de elementos de aleación y no requiere temple y revenido. Controlando la deformación de trabajo en caliente y la tasa de enfriamiento posterior, se pueden garantizar las propiedades mecánicas necesarias, ahorrando consumo de energía para el tratamiento térmico, acortando el ciclo de producción y reduciendo el... coste del acero.

En la actualidad, los pernos de acero no templado y revenido se utilizan principalmente en la fabricación de automóviles, pero su número total sigue siendo pequeño y su ámbito de aplicación no es amplio. Aunque su coste es inferior al de acero templado y revenidoSin embargo, su tenacidad es menor, el nivel de resistencia no es suficientemente estable y la vida útil de la matriz es más corta durante la forja en frío. Estas limitaciones restringen el ámbito de aplicación del acero no templado y revenido.

El acero no templado y revenido se utiliza principalmente para tornillos de 700-800 MPa, y a veces para tornillos de más de 900 MPa. Normalmente, los sistemas C-Mn no templados y revenidos con un contenido de carbono de aproximadamente 0,25% o los sistemas C-Mo con un contenido de carbono de aproximadamente 0,10% se utilizan para tornillos de 700-800 MPa. Se añaden trazas de Nb, V, Ti y otros elementos, y la estructura es de ferrita+perlita.

Cuando el nivel de resistencia es superior a 900 MPa, se suelen añadir Cr, Ti, B y otros elementos al sistema C-Mo Si que contiene aproximadamente 0,10% de carbono para mejorar la templabilidad y garantizar una resistencia y tenacidad satisfactorias. La estructura es ferrita+bainita.

Para mejorar la tenacidad del acero no templado y revenido y lograr una resistencia y tenacidad bien ajustadas, el ajuste de la tecnología de procesamiento (como la temperatura de trabajo en caliente, la deformación de laminación y el enfriamiento controlado tras la laminación), además del control de la composición química, también puede ser una solución.

3.4 Acero martensítico de bajo contenido en carbono

Todos los aceros no aleados (aceros al carbono) o aceros estructurales de baja aleación con un contenido en carbono inferior a 0,25% pueden obtener más de 80% y a veces incluso 100% de bajo contenido en carbono. estructura martensítica tras un enfriamiento intensivo.

Este tipo de acero se denomina comúnmente acero martensítico de bajo contenido en carbono. Tiene una dureza de 45-50 HRC, un límite elástico de 1000-1300 MPa y una resistencia a la tracción de 1200-1600 MPa.

Presenta buena plasticidad (A ≥ 10%, Z ≥ 40%) y tenacidad (Axv ≥ 59 J), junto con una excelente trabajabilidad en frío, soldabilidady una distorsión mínima por tratamiento térmico.

En consecuencia, el uso de acero martensítico está cada vez más extendida, y se ha convertido en una forma crucial de liberar el potencial de resistencia y tenacidad del acero y prolongar la vida útil de las piezas de las máquinas.

Entre los materiales utilizados habitualmente en la producción de pernos de alta resistencia se incluyen el acero 15MnVB, 20MnSi, 20, 20MnTiB, etc.

3.5 Mecanismo de refuerzo y endurecimiento

Los mecanismos que refuerzan y endurecen el acero de alta resistencia incluyen principalmente el refuerzo del grano fino, el refuerzo por disolución, el refuerzo por precipitación y dispersión y el refuerzo por dislocación.

1) Fortalecimiento del grano fino.

Al aumentar los límites de grano para obstruir el movimiento de dislocación y restringir la deformación plástica dentro de un cierto rango, es posible mejorar la plasticidad del acero. Esto no solo mejora eficazmente la resistencia, sino que también optimiza significativamente la plasticidad y la tenacidad.

En la actualidad, la tecnología de laminado y enfriamiento controlados (TMCP) se utiliza ampliamente en la industria. Consiste en refinar la estructura final mediante austenita recristalización, transformación de ferrita inducida por deformación (DIFT), enfriamiento acelerado y recristalización de ferrita.

2) Refuerzo de la solución

La matriz metálica (metal disolvente) puede reforzarse utilizando los defectos puntuales internos de materiales metálicoscomo los átomos intersticiales y los átomos de sustitución.

A medida que aumenta la diferencia entre los diámetros atómicos, también aumenta el grado de distorsión, lo que provoca un mayor efecto de refuerzo.

Además, la adición de elementos como Mn, Si, Ni, Mo al Fe puede provocar un fortalecimiento de la solución sólida de tipo desplazamiento.

3) Refuerzo de la precipitación y la dispersión

Cuando las partículas de la segunda fase precipitan, crean un campo de tensión y una región de alta energía en la matriz, lo que se traduce en un fuerte aumento de la resistencia, la dureza y el fortalecimiento general.

Se puede concluir que:

  • Cuanto mayor sea la relación de volumen de la fase precipitada, más significativo será el efecto de refuerzo.
  • Cuanto mayor sea la dispersión de la segunda fase, mejor será el efecto de refuerzo.
  • Cuanto mayor sea la resistencia de las partículas de la segunda fase al movimiento de dislocación, mayor será el efecto de refuerzo.

4) Fortalecimiento de la dislocación

Es difícil desplazar las dislocaciones debido a su alta densidad.

Una propiedad mecánica de los metales es la mejora de su resistencia. La multiplicación de dislocaciones puede reforzar metales reales con defectos cristalinos.

El movimiento de las dislocaciones es la razón principal del fortalecimiento por disolución, el fortalecimiento por grano fino, la precipitación y el fortalecimiento por dispersión.

Los microdefectos de la estructura de la matriz, incluidos los límites de grano, las partículas de precipitación, la subestructura de dislocación y la distorsión por disolución, afectan principalmente a la resistencia y tenacidad de los materiales de pernos de alta resistencia.

Las estructuras de microdefectos mencionadas pueden mejorar la tenacidad del acero. Sin embargo, mientras que un aumento de los límites de grano (es decir, el fortalecimiento del grano fino) puede aumentar la tenacidad, otras estructuras de microdefectos pueden reducir la tenacidad.

Para reforzar los materiales de los pernos de alta resistencia, es necesario utilizar plenamente estos mecanismos de refuerzo.

4. Perspectivas de investigación de materiales para pernos de alta resistencia

Con el avance de los sectores de la energía, el automóvil, la maquinaria, la construcción, la industria ligera y otros, existe una creciente demanda de materiales para producir diversos tipos de pernos de fijaciónlo que genera una necesidad urgente de materiales para pernos de alta resistencia.

En la última década se ha hecho mucho hincapié en el avance de esta tecnología tanto a nivel nacional como internacional. En China se ha puesto en marcha el proyecto "Gran investigación básica sobre materiales de acero de nueva generación" (973), que incluye la investigación y el desarrollo del acero para pernos de alta resistencia como una de sus áreas críticas.

La tendencia de desarrollo del acero para pernos de alta resistencia puede resumirse como sigue:

1) Acero de alta resistencia y alto rendimiento

Con el aumento de la resistencia del acero, también aumenta su susceptibilidad a la fractura retardada. Concretamente, cuando la resistencia a la tracción supera los 900 MPa y la dureza es igual o superior a 31 HRC, la sensibilidad a la fractura retardada aumenta gradualmente. Además, cuanto mayor es la tensión de servicio, más extensos son los daños causados por la fractura.

Por esta razón, es crucial desarrollar un acero para pernos de alta resistencia con una resistencia excepcional a la fractura retardada. Ello contribuirá a salvaguardar la vida y los bienes de las personas, al tiempo que ampliará la gama de aplicaciones de los pernos de alta resistencia.

2) Reducir costes y consumo de energía

Para reducir costes, considere la posibilidad de sustituir el acero al boro barato por acero aleado de alto precio que contenga Ni, Cr, Mo, etc.

Además, las siguientes técnicas pueden ayudar a reducir el consumo de energía, mejorar el rendimiento de los tornillos y minimizar descarburización tendencia de las puntas de los hilos:

  • Utilizar forja en frío en lugar de forja en caliente
  • Utilizar acero no templado y revenido para reducir el proceso de tratamiento térmico
  • Utilizar acero bajo en carbono no recocido que no requiera tratamiento de ablandamiento antes de la forja.
  • Utilice productos laminados de alta precisión que no necesiten pelado ni embutición.

3) Mejora de la calidad y fiabilidad del acero para tornillos

La fiabilidad y la vida útil de las piezas de tornillería están estrechamente relacionadas con la calidad metalúrgica y el estado de la superficie del acero de los tornillos, así como con algunas propiedades de procesamiento.

Al aumentar la pureza del acero y reducir el contenido de S y P, se puede mejorar la capacidad de deformación del acero. Esto reduce la fragilización en el límite de grano y la presencia de no metálico inclusiones, mejorando así la tenacidad y plasticidad del acero. También mejora la resistencia a la fractura retardada del acero.

Además, la precisión de fabricación, la tecnología de fijación y los métodos de ensayo de los tornillos acabados son factores cruciales que afectan a la fiabilidad de los tornillos de alta resistencia.

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