張本國 １,２,趙 ?。?２,夏建生１,２,范利鋒３

(鹽城工學院１．機械工程學院;２．江蘇省模具智能制造工程技術研究中心,鹽城 ２２４０５１;３．內蒙古大學交通學院,呼和浩特 ０１００７０)

摘 要:利用化學成分分析、組織與斷口觀察、力學性能測試等方法分析了高強度３５CrMo鋼螺栓在縮徑加工過程中的斷裂原因.結果表明:３５CrMo鋼螺栓的斷裂具有典型的脆性斷裂特征;３５CrMo鋼組織的不均勻性導致其抗拉強度較低,在縮徑加工的矯直工序中,當螺栓縮徑部位的拉拔力較高時,螺栓斷裂.

關鍵詞:３５CrMo鋼;螺栓;縮徑加工;斷裂

中圖分類號:TG３７６．８ 文獻標志碼:B 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００９５Ｇ０４

０ 引 言

目前,我國風電行業(yè)塔筒中普遍使用３５CrMo鋼制螺栓.某廠在使用３５CrMo鋼生產(chǎn)塔筒螺栓的過程中,在縮徑加工的拉拔矯直工序時螺栓經(jīng)常發(fā)生斷裂,造 成 材 料 的 浪 費 和 成 本 的 增 加.國 內 外 在３５CrMo鋼的斷裂失效分析方面均已進行了較多的研究[１Ｇ４],但對于其在加工過程中斷裂原因的研究較少.為了找到３５CrMo鋼螺栓在縮徑加工時斷裂的原因,作者對此斷裂螺栓進行了失效分析.

１ 理化檢驗及結果

１．１ 化學成分

在斷 裂 ３５CrMo鋼 螺 栓 上 取 樣,根 據(jù) GB/T４３３６－２００２,利用 Labspark１０００型火花直讀光譜儀進行化 學 成 分 檢 測.由 表 １ 可 見,斷 裂 螺 栓 鋼的化學成分滿足 GB/T３０７７－１９９９對３５CrMo鋼的化學成分要求,有害元素磷、硫的含量低于標準規(guī)定的指標.

１．２ 斷口形貌和夾雜物

由圖１可以看出:斷裂螺栓斷口呈灰色,表面粗糙,可見明顯棱線;斷口附近無塑性變形區(qū),斷口表面存在裂紋源區(qū)和裂紋擴展區(qū);斷口具有典型的脆性斷裂特征.

在斷裂 螺 栓 斷 口 處 的 裂 紋 源 區(qū) 截 取 試 樣,在FEIQuanta２００型 掃 描 電 鏡 (SEM)下 觀 察 形 貌 .

由圖２可以看出:斷口裂紋源區(qū)附近無冶金和加工缺陷;裂紋源區(qū)主要呈穿晶斷裂和沿晶斷裂形貌,并伴有韌窩混合斷裂特征;在裂紋源區(qū)存在大量夾雜物.

利用SEM 附帶的 EDAXGenesis２０００型能譜儀(EDS)對夾雜物進行化學成分分析.由圖３可以看出,裂紋源區(qū)的夾雜物主要有氧化物、硅酸鹽和鋁酸鹽等.顆粒較大的硅鋁酸鹽類(尺寸達２５ mm)和球狀氧化物(尺寸達９mm)的聚集分布將降低鋼的韌性,對螺栓的后續(xù)加工危害極大.特別是在拉拔矯直工序中,它們可作為裂紋源.同時,這些夾雜物破壞了鋼基體的連續(xù)性,造成應力集中.一旦受到拉應力或切應力的作用,裂紋將在夾雜物處萌生,沿夾雜物擴展,最終導致斷裂.

１．３ 顯微組織

將螺栓縮徑區(qū)剖開,橫向截取金相試樣,經(jīng)４％(體積分數(shù))硝酸酒精溶液 腐 蝕 后,用 FEIQuanta２００型掃描電鏡(SEM)觀察其顯微組織.由圖４可以看出,螺栓縮徑區(qū)中心的顯微組織主要為上貝氏體(呈羽毛狀和顆粒狀),邊緣位置的顯微組織主要為上貝氏體,其晶粒相對粗大.從螺栓縮徑區(qū)中心到邊緣顯微組織的變化可以看出,該螺栓的顯微組織不均勻.

１．４ 力學性能

１．４．１ 硬 度

在斷裂螺栓縮徑區(qū),垂直于軸線方向用線切割機床切取厚度為８ mm 的試樣,利用 HRＧ１５０A 型手動洛氏硬度計和HBEＧ３０００A 型電子布氏硬度計測截面硬度,測試部位為近表面位置(如圖５中１,６,a,f所示)、１/２R(R 為試樣半徑)處(如圖５中２,５,b,e)、中心位置(如圖５中c所示)硬度.布氏硬度測試時的壓頭直徑為５mm,載荷為７３５０N.測試結果顯示,測試點１,２,３,４,５,６處的硬度分別為３８．０,４０．５,４２．０,４１．０,４１．５,３９．０HRC,測試點a,b,

c,d,e,f處的硬度分別為 ４５９,３５０,３３７,３４０,４２９,２８９HBW.不同位置的硬度差異較大,這驗證了螺栓組織的不均勻性.

１．４．２ 室溫沖擊韌性

在斷 裂 螺 栓 未 變 形 部 位 橫 向 截 取 尺 寸 為１０mm×１０mm×５０mm 的沖擊試樣,開 V 型缺口,采用JBＧS３００型數(shù)顯擺錘式?jīng)_擊試驗機進行室溫沖擊試驗.測得不同試樣的沖擊韌度分別為１４５．０,１０２．５,１１２．０J??cm－２,均高于 GB/T３０７７－１９９９規(guī)定的３５CrMo鋼沖擊韌度指標(不小于７８J??cm－２).但是,其沖擊韌度測試值的差異較大,說明不同區(qū)域韌性差異較大,這驗證了螺栓組織的不均勻性.

１．４．３ 室溫拉伸性能

在斷裂螺栓未變形區(qū)和縮徑區(qū)橫向截取拉伸試樣,尺寸如圖６所示.利用 XDＧ１２１A 型材料萬能試驗機進行拉伸性能試驗,拉伸速度為２mm??min－１.試樣拉伸斷裂位置均接近中間位置,螺栓未變形區(qū)和縮徑 區(qū) 的 抗 拉 強 度 分 別 為 (６８０±２０)MPa 和 (７８０±１０)MPa,均低于 GB/T３０７７－１９９９規(guī)定的 性能指標 (不 小 于 ９８５ MPa);斷 后 伸 長 率 分 別 為 １２．０％±０．６％和８．０％±０．５％,小于 GB/T３０７７－ １９９９規(guī)定的指標(不小于１２％).螺栓縮徑區(qū)比未 變形區(qū)具有更高的抗拉強度,但伸長率有所下降. 這說明螺栓在縮徑拉拔過程中存在一定的加工硬化 作用,導致抗拉強度提高而塑性降低.

１．４．４ 縮徑區(qū)表面殘余應力

采用 XStress３０００型 X射線殘余應力分析儀測得螺栓縮徑區(qū)的殘余應力為(１７２．５８±２０．００)MPa.螺栓在縮徑拉拔過程中,其表面受到外載荷作用,在距表面一定距離內發(fā)生彈塑性變形.當外載荷卸去后,彈性變形恢復,而塑性變形保留,形成表面殘余應力.當殘余應力和矯直過程中的切向應力疊加時,可誘發(fā)縮徑區(qū)的斷裂.

２ 斷裂原因分析

斷裂螺栓用３５CrMo鋼中的非金屬夾雜物含量較高,特別是脆性夾雜物級別較高,且呈大顆粒聚集分布.由于非金屬夾雜物同基體金屬的彈塑性存在較大差異,在拉拔矯直變形時,夾雜物周圍產(chǎn)生應力集中,使夾雜物和基體的界面出現(xiàn)微裂紋.隨著變形的不斷進行,微裂紋不斷萌生并擴展形成空洞,破壞了基體的連續(xù)性,進一步造成應力集中.裂紋沿夾雜物方向擴展,最終導致螺栓斷裂.斷裂螺栓縮徑區(qū)的顯微組織不均勻,導致螺栓不同區(qū)域的力學性能存在較大差異:縮徑區(qū)橫截面不同位置處的硬度存在差異,呈現(xiàn)出極明顯的非對稱性;拉拔加工過程中產(chǎn)生了加工硬化,導致螺栓的抗拉強度增大而塑性降低.組織和力學性能的不均勻性使得螺栓在外力作用下易產(chǎn)生應力集中,進而造成裂紋在局部位置的萌生和擴展,最終導致螺栓斷裂.

螺栓在拉拔過程中在縮徑區(qū)產(chǎn)生了較高的表面殘余應力,并在矯直過程中受到較大的切應力.殘余應力與矯直切應力的疊加導致螺栓的局部應力高度集中,為裂紋的萌生提供了較高的應力支持.

(１)３５CrMo鋼螺栓在縮徑加工時的斷裂具有 典型的脆性斷裂特征.

(２)３５CrMo鋼中非金屬夾雜物含量較高,特別 是脆性夾雜物顆粒級別較高,且呈大顆粒聚集分布, 易形成裂紋源;螺栓組織的不均勻造成有些部位的 抗拉強度較低,在縮徑矯直工序中,螺栓縮徑部位的 拉拔力較高時形成開裂并導致螺栓斷裂. 

(３)應在材質檢驗方面加強管理和控制,防止 低于國家執(zhí)行標準的材料進入生產(chǎn)工序,以避免出 現(xiàn)不合格產(chǎn)品或降低產(chǎn)品質量. 

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料 > 2017年 > 6期 > pp.95）