摘 要:某303Se不銹鋼高鎖螺母沿軸線方向開裂,采用金相檢驗、硬度測試、掃描電鏡分析、殘 余應力測試等方法對其開裂原因進行分析,結果表明:303Se不銹鋼在冷擠壓過程中,其抗拉強度 升高、塑性降低,因此其徑向承載能力變差,在高載荷作用下發(fā)生開裂;對產品工藝進行優(yōu)化可有效 地提高不銹鋼高鎖螺母的徑向承載能力。
關鍵詞:303Se不銹鋼;高鎖螺母;裝配;開裂;冷擠壓
中圖分類號:V262.3+3;TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)08-0061-04
303Se不銹鋼高鎖螺母主要由兩部分組成:一 部分是工藝部分,另一部分是工作部分,其產品結構 如圖1所示。工藝部分可實現安裝過程中的扳擰, 工作部分可實現最終的緊固連接。安裝該高鎖螺母 的過程中,當施加一定的力矩時,其斷徑槽處會發(fā)生 斷裂,工藝部分脫落,完成產品的裝配[1-2]。
在對303Se不銹鋼材料加工的某不銹鋼高鎖螺 母進行裝配試驗時發(fā)現:在無夾層的情況下,將該高 鎖螺母擰入到螺栓上,在擰過螺紋區(qū)后,螺栓光桿部 位與高鎖螺母螺紋接觸(簡稱裝配試驗),當繼續(xù)對 高鎖螺母施加擰入力矩時,螺母的斷徑槽不會被擰 斷,反而沿著軸線方向出現開裂,開裂高鎖螺母宏觀 形貌如圖2所示。
筆者通過金相檢驗、掃描電鏡(SEM)分析、顯微硬度測試、殘余應力測試,同時結合螺母的加工工藝對該 高鎖螺母的開裂原因進行了分析,并提出了改進措施, 有效地提高了不銹鋼高鎖螺母的徑向承載能力。
1 理化檢驗
1.1 金相檢驗
在該開裂高鎖螺母上制備試樣,利用光學顯微 鏡分別觀察其環(huán)向和軸向顯微組織,開裂高鎖螺母 的環(huán)向 顯 微 組 織 如 圖 3 所 示,軸 向 顯 微 組 織 如 圖4所示。
由圖3,4可知:幾乎每個晶粒中都有大量的滑 移線,不同晶粒內的滑移線取向不同;開裂高鎖螺母 材料中含有大量的夾雜物,夾雜物沿軸向拉長。
1.2 顯微硬度測試
利用顯微硬度計測試開裂高鎖螺母收口段的環(huán) 向剖面和軸向剖面的顯微硬度,在截面中心測試5 個點,結果如表1所示。
為了對比高鎖螺母收口部位與法蘭部位的顯微 硬度,在該開裂高鎖螺母的法蘭部位選取軸向剖面 的5個點進行顯微硬度測試,結果如表2所示。
由表1,2可知:高鎖螺母收口部位的軸向剖面 顯微硬度大于環(huán)向剖面顯微硬度;高鎖螺母收口部位的顯微硬度高于法蘭部位的顯微硬度。
1.3 SEM 分析
用SEM 分析開裂高鎖螺母的斷口,高鎖螺母 收口部位斷口的 SEM 形貌如圖5所示;遠離高鎖 螺母收口部位斷口的SEM 形貌如圖6所示。
由圖5,6可知:開裂高鎖螺母斷口的微觀形貌 均為韌窩,是典型的塑性斷裂特征;韌窩沿軸向分 布;開裂高鎖螺母的失效模式為塑性過載斷裂,裂紋 起源于高鎖螺母外壁收口點附近。
1.4 殘余應力測試
選取未安裝使用的高鎖螺母,利用 X 射線殘余 應力測試儀測試兩個收口點連線中點位置的殘余應 力和收口點的殘余應力,測試位置如圖7所示。兩 個收口點連線中點位置(點1~4)的殘余應力分別 為-102.7,-93.6,-182.3,-241.8MPa,收口點位 置附近的殘余應力如表3所示。
由殘余應力測試結果可知:高鎖螺母外壁遠離 收口點位置存在殘余壓應力;高鎖螺母外壁收口點局部位置存在較高的殘余拉應力。
2 開裂原因分析
2.1 材料分析
303Se不銹鋼高鎖螺母開裂件的晶粒中有大量 滑移線,不同晶粒內滑移線取向不同;材料中含有大 量的夾雜物,夾雜物沿軸向拉長。為了驗證夾雜物 對裂紋 的 影 響,選 取 6 批 符 合 標 準 AMS5640U— 2007 Steel Corrosion Resistant, Bars, Wire, Shapes,andRorgings 18Cr-9.0NiFreeMaching 的不同爐批號的303Se不銹鋼加工為高鎖螺母,發(fā) 現加工的高鎖螺母在裝配試驗過程中均出現開裂現 象,結果如表4所示。
對303Se不銹鋼原材料進行金相檢驗,未發(fā)現 參與驗證的原材料中存在夾雜物,故可以推斷,裝配 試驗下的開裂與夾雜物無直接關系。
查 詢 標 準 HST 1087—2000 Stainless Steel Tensile HighLockNut可知,302,305,303Se不銹鋼 均可 以 用 于 加 工 高 鎖 螺 母。選 用 5 批 符 合 標 準 AMS-QQ-S-763B—2006 Steel,Corrosion Resistant, Bars,Wire,Shapes,andRorgings 的 不 同 質 保 號 的 302不銹鋼材料,按照同樣工藝路線進行加工,發(fā)現 采用302不銹鋼材料加工的高鎖螺母在裝配試驗下 均未出現開裂現象,結果如表5所示。
故可以 推 斷,高 鎖 螺 母 在 裝 配 試 驗 下 發(fā) 生 開 裂與材料性質有一定的關系。為了對比303Se不 銹鋼和302 不 銹 鋼,采 用 直 讀 光 譜 儀 對 這 兩 種 材 料成形高鎖螺母的化學成分進行分析,結果如表6 所示。
由 表 6 可 知:303Se 不 銹 鋼 中 含 有 硒 元 素, 303Se屬于易切削不銹鋼[3]。
2.2 成形方式分析
為了驗證成形方式對高鎖螺母開裂的影響,采 用兩種加工方式對產品進行研究。
2.2.1 車加工成形
查詢標準 AMS5640U—2007可知,303Se不銹 鋼原材料的最大抗拉強度為862MPa。為了保證高 鎖螺母抗拉力的要求,采用抗拉強度為850 MPa~ 862MPa的原材料直接車加工,產品的加工路線為 備料→車加工→收口→表面處理。選取車加工的高 鎖螺母 進 行 裝 配 試 驗 和 力 學 性 能 測 試,發(fā) 現:① 303Se不銹鋼材料車加工成形的高鎖螺母在裝配試 驗下不會開裂;② 車加工成形時,高鎖螺母的最小 抗拉強度無法滿足標準要求。
2.2.2 冷擠壓成形
根據300系列不銹鋼的冷作強化特性[4],分別 選用303Se不銹鋼和302不銹鋼材料進行擠壓成形 加工,通過 冷 變 形 提 高 抗 拉 強 度,加 工 路 線 為:備 料→冷擠壓→精加工→收口→表面處理,其中冷擠 壓成形方式如圖8所示。
對擠壓成形的高鎖螺母進行裝配試驗和力學性能測試,發(fā)現303Se不銹鋼和302不銹鋼材料經過 擠壓成形加工后,其硬度有較大提升,擠壓前后的硬 度如表7所示。
冷擠壓成形方式加工的高鎖螺母的最小抗拉強 度滿足標準要求;303Se不銹鋼材料冷擠壓成形加 工的螺母在裝配試驗下有開裂現象;302不銹鋼材 料冷擠壓成形加工的高鎖螺母在裝配試驗下無開裂 現象。
2.2.3 不同成形方式的對比
對車加工和冷擠壓兩種不同成形方式加工的高 鎖螺母進行對比,可以得出以下結論。
(1)高鎖螺母車加工時,抗拉強度不滿足標準 要求,故該成形方式不適合。
(2)303Se不銹鋼和302不銹鋼材料經過冷擠 壓變形后,高 鎖 螺 母 的 抗 拉 強 度 增 大 且 滿 足 標 準 HST1087—2000要求。
(3)高鎖螺母在裝配試驗下開裂與產品的成形 方式及材料性能有一定的關系。
2.3 開裂原因分析
不銹鋼在冷變形時其抗變形力較高,且隨著所 承受的變形程度的增加而持續(xù)上升,金屬的塑性隨 著變形程度的增加而逐漸下降,表現出明顯的硬化 現象[5-6]。開裂高鎖螺母的理化檢驗結果說明了以 下幾點。
(1)303Se不銹鋼材料在冷擠壓加工時,材料 抗拉強度升高,塑性降低,在高載荷作用下發(fā)生開裂 現象。
(2)裝配試驗中,螺紋被螺栓光桿擠壓變形,對 螺母徑向施加了較大載荷。
(3)殘余應力測試結果表明,收口點位置存在殘余拉應力,殘余拉應力疊加在外加應力上,會導致 該處應力增大。
(4)螺母收口點位置是薄弱區(qū)域,有以下3個 原因:① 收口點位置在收口時經過二次變形,并發(fā) 生二次硬化,塑性繼續(xù)下降;② 收口點位置相對其 他位置的壁厚較薄,在同樣載荷作用下,該處的應力 較高;③ 收口點位置存在截面變化,會引起局部的 應力集中,在同樣載荷作用下,該處應力相比其他位 置要高。
3 結論及建議
(1)高鎖螺母在裝配試驗中出現開裂的原因 為:303Se不銹鋼材料在冷擠壓成形時,材料的抗拉 強度升高、塑性降低,在高載荷作用下發(fā)生開裂現 象,開裂高鎖螺母的失效模式為塑性過載開裂。
(2)建議將高鎖螺母的材料由303Se不銹鋼更 換為302不銹鋼,同時合理控制冷擠壓變形量,可使 其抗拉強度、塑性和韌性達到要求,并有效地提高不 銹鋼高鎖螺母的徑向承載能力。
(3)通過對高鎖螺母的工藝進行改進,排除了 高鎖螺母在裝配試驗中的開裂故障。工藝改進后, 高鎖螺母的微觀組織、力學性能均滿足相關標準要 求,其徑向承載能力得到明顯提高。
參考文獻:
[1] 李英亮.緊固 件 概 論 [M].北 京:國 防 工 業(yè) 出 版 社, 2014.
[2] 何軍,李鈞甫,丁亞紅,等.7075-T3鋁合金高鎖螺母 斷裂原因[J].理化檢驗(物理分冊),2020,56(7):30- 34.
[3] 袁武華,王峰.國 內 外 易 切 削 鋼 的 研 究 現 狀 和 前 景 [J].鋼鐵研究,2008,36(5):56-62.
[4] 束德林.金屬力學性能[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1987.
[5] 彭大暑.金屬塑性加工原理[M].長沙:中南大學出版 社,2004.
[6] 王霞,張寶紅,程眉,等.304不銹鋼冷變形形變強化 的研究[J].熱加工工藝,2014,43(19):19-21,25.