分享：３５CrMo钢螺栓在缩径加工时的断裂原因

张本国 １,２,赵 健１,２,夏建生１,２,范利锋３

(盐城工学院１．机械工程学院;２．江苏省模具智能制造工程技术研究中心,盐城 ２２４０５１;３．内蒙古大学交通学院,呼和浩特 ０１００７０)

摘 要:利用化学成分分析、组织与断口观察、力学性能测试等方法分析了高强度３５CrMo钢螺栓在缩径加工过程中的断裂原因.结果表明:３５CrMo钢螺栓的断裂具有典型的脆性断裂特征;３５CrMo钢组织的不均匀性导致其抗拉强度较低,在缩径加工的矫直工序中,当螺栓缩径部位的拉拔力较高时,螺栓断裂.

关键词:３５CrMo钢;螺栓;缩径加工;断裂

中图分类号:TG３７６．８ 文献标志码:B 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００９５Ｇ０４

０ 引 言

目前,我国风电行业塔筒中普遍使用３５CrMo钢制螺栓.某厂在使用３５CrMo钢生产塔筒螺栓的过程中,在缩径加工的拉拔矫直工序时螺栓经常发生断裂,造 成 材 料 的 浪 费 和 成 本 的 增 加.国 内 外 在３５CrMo钢的断裂失效分析方面均已进行了较多的研究[１Ｇ４],但对于其在加工过程中断裂原因的研究较少.为了找到３５CrMo钢螺栓在缩径加工时断裂的原因,作者对此断裂螺栓进行了失效分析.

１ 理化检验及结果

１．１ 化学成分

在断 裂 ３５CrMo钢 螺 栓 上 取 样,根 据 GB/T４３３６－２００２,利用 Labspark１０００型火花直读光谱仪进行化 学 成 分 检 测.由 表 １ 可 见,断 裂 螺 栓 钢的化学成分满足 GB/T３０７７－１９９９对３５CrMo钢的化学成分要求,有害元素磷、硫的含量低于标准规定的指标.

１．２ 断口形貌和夹杂物

由图１可以看出:断裂螺栓断口呈灰色,表面粗糙,可见明显棱线;断口附近无塑性变形区,断口表面存在裂纹源区和裂纹扩展区;断口具有典型的脆性断裂特征.

在断裂 螺 栓 断 口 处 的 裂 纹 源 区 截 取 试 样,在FEIQuanta２００型 扫 描 电 镜 (SEM)下 观 察 形 貌 .

由图２可以看出:断口裂纹源区附近无冶金和加工缺陷;裂纹源区主要呈穿晶断裂和沿晶断裂形貌,并伴有韧窝混合断裂特征;在裂纹源区存在大量夹杂物.

利用SEM 附带的 EDAXGenesis２０００型能谱仪(EDS)对夹杂物进行化学成分分析.由图３可以看出,裂纹源区的夹杂物主要有氧化物、硅酸盐和铝酸盐等.颗粒较大的硅铝酸盐类(尺寸达２５ mm)和球状氧化物(尺寸达９mm)的聚集分布将降低钢的韧性,对螺栓的后续加工危害极大.特别是在拉拔矫直工序中,它们可作为裂纹源.同时,这些夹杂物破坏了钢基体的连续性,造成应力集中.一旦受到拉应力或切应力的作用,裂纹将在夹杂物处萌生,沿夹杂物扩展,最终导致断裂.

１．３ 显微组织

将螺栓缩径区剖开,横向截取金相试样,经４％(体积分数)硝酸酒精溶液 腐 蚀 后,用 FEIQuanta２００型扫描电镜(SEM)观察其显微组织.由图４可以看出,螺栓缩径区中心的显微组织主要为上贝氏体(呈羽毛状和颗粒状),边缘位置的显微组织主要为上贝氏体,其晶粒相对粗大.从螺栓缩径区中心到边缘显微组织的变化可以看出,该螺栓的显微组织不均匀.

１．４ 力学性能

１．４．１ 硬 度

在断裂螺栓缩径区,垂直于轴线方向用线切割机床切取厚度为８ mm 的试样,利用 HRＧ１５０A 型手动洛氏硬度计和HBEＧ３０００A 型电子布氏硬度计测截面硬度,测试部位为近表面位置(如图５中１,６,a,f所示)、１/２R(R 为试样半径)处(如图５中２,５,b,e)、中心位置(如图５中c所示)硬度.布氏硬度测试时的压头直径为５mm,载荷为７３５０N.测试结果显示,测试点１,２,３,４,５,６处的硬度分别为３８．０,４０．５,４２．０,４１．０,４１．５,３９．０HRC,测试点a,b,

c,d,e,f处的硬度分别为 ４５９,３５０,３３７,３４０,４２９,２８９HBW.不同位置的硬度差异较大,这验证了螺栓组织的不均匀性.

１．４．２ 室温冲击韧性

在断 裂 螺 栓 未 变 形 部 位 横 向 截 取 尺 寸 为１０mm×１０mm×５０mm 的冲击试样,开 V 型缺口,采用JBＧS３００型数显摆锤式冲击试验机进行室温冲击试验.测得不同试样的冲击韧度分别为１４５．０,１０２．５,１１２．０J??cm－２,均高于 GB/T３０７７－１９９９规定的３５CrMo钢冲击韧度指标(不小于７８J??cm－２).但是,其冲击韧度测试值的差异较大,说明不同区域韧性差异较大,这验证了螺栓组织的不均匀性.

１．４．３ 室温拉伸性能

在断裂螺栓未变形区和缩径区横向截取拉伸试样,尺寸如图６所示.利用 XDＧ１２１A 型材料万能试验机进行拉伸性能试验,拉伸速度为２mm??min－１.试样拉伸断裂位置均接近中间位置,螺栓未变形区和缩径 区 的 抗 拉 强 度 分 别 为 (６８０±２０)MPa 和 (７８０±１０)MPa,均低于 GB/T３０７７－１９９９规定的 性能指标 (不 小 于 ９８５ MPa);断 后 伸 长 率 分 别 为 １２．０％±０．６％和８．０％±０．５％,小于 GB/T３０７７－ １９９９规定的指标(不小于１２％).螺栓缩径区比未 变形区具有更高的抗拉强度,但伸长率有所下降. 这说明螺栓在缩径拉拔过程中存在一定的加工硬化 作用,导致抗拉强度提高而塑性降低.

１．４．４ 缩径区表面残余应力

采用 XStress３０００型 X射线残余应力分析仪测得螺栓缩径区的残余应力为(１７２．５８±２０．００)MPa.螺栓在缩径拉拔过程中,其表面受到外载荷作用,在距表面一定距离内发生弹塑性变形.当外载荷卸去后,弹性变形恢复,而塑性变形保留,形成表面残余应力.当残余应力和矫直过程中的切向应力叠加时,可诱发缩径区的断裂.

２ 断裂原因分析

断裂螺栓用３５CrMo钢中的非金属夹杂物含量较高,特别是脆性夹杂物级别较高,且呈大颗粒聚集分布.由于非金属夹杂物同基体金属的弹塑性存在较大差异,在拉拔矫直变形时,夹杂物周围产生应力集中,使夹杂物和基体的界面出现微裂纹.随着变形的不断进行,微裂纹不断萌生并扩展形成空洞,破坏了基体的连续性,进一步造成应力集中.裂纹沿夹杂物方向扩展,最终导致螺栓断裂.断裂螺栓缩径区的显微组织不均匀,导致螺栓不同区域的力学性能存在较大差异:缩径区横截面不同位置处的硬度存在差异,呈现出极明显的非对称性;拉拔加工过程中产生了加工硬化,导致螺栓的抗拉强度增大而塑性降低.组织和力学性能的不均匀性使得螺栓在外力作用下易产生应力集中,进而造成裂纹在局部位置的萌生和扩展,最终导致螺栓断裂.

螺栓在拉拔过程中在缩径区产生了较高的表面残余应力,并在矫直过程中受到较大的切应力.残余应力与矫直切应力的叠加导致螺栓的局部应力高度集中,为裂纹的萌生提供了较高的应力支持.

(１)３５CrMo钢螺栓在缩径加工时的断裂具有 典型的脆性断裂特征.

(２)３５CrMo钢中非金属夹杂物含量较高,特别 是脆性夹杂物颗粒级别较高,且呈大颗粒聚集分布, 易形成裂纹源;螺栓组织的不均匀造成有些部位的 抗拉强度较低,在缩径矫直工序中,螺栓缩径部位的 拉拔力较高时形成开裂并导致螺栓断裂. 

(３)应在材质检验方面加强管理和控制,防止 低于国家执行标准的材料进入生产工序,以避免出 现不合格产品或降低产品质量. 

（文章来源：材料与测试网-机械工程材料 > 2017年 > 6期 > pp.95）