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分享:35CrMo钢螺栓在缩径加工时的断裂原因

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浏览:- 发布日期:2021-09-15 09:53:49【

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)06G0095G0FractureReasonof35CrMoSteelBoltinNeckingProcess

ZHANGBenguo1,2,ZHAOJian1,2,XIAJiansheng

1,2,FANLifeng

    (1.CollegeofMechanicalEngineering;2.JiangsuMouldIntelligentManufacturingEngineeringResearchCenter,

YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051,China;3.TransportationofInstitute,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010070,China)

    Abstract:ThereasonforfractureofhighGstrength35CrMosteelboltduringneckingprocesswasanalyzedby

themethodssuchaschemicalcompositionanalysis,microstructureandfractureobservationandmechanicalproperty

testing.Theresultsshowthatthefractureof35CrMosteelbolthadatypicalbrittlefracturecharacteristic.The

microstructueofthe35CrMosteelwasnonGuniform,resultingintherelativelylowtensilestrength.Duringthe

straighteningofneckingprocess,whenthepullingforceattheneckingpartoftheboltwasrelativelyhigh,thebolt

fractured.

    Keywords:35CrMosteel;bolt;neckingprocess;fracture


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 .

断裂螺栓35CrMo钢的化学成分(质量分数)

图1 断裂螺栓断口宏观形貌

    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.

图2 断裂螺栓断口裂纹源区的SEM 形貌


图2 断裂螺栓断口裂纹源区的SEM 形貌

Fig.2 SEM micrographsshowingcracksourceregiononfracture

surfaceoffracturedbolt a atlow magnificationand

b athighmagnification

    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.

图3 断裂螺栓断口裂纹源区的SEM 形貌和不同位置的 EDS谱


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.

3 结论与措施

    (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

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