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浏览:- 发布日期:2020-09-15 09:53:49【

张本国 1,2,赵 健1,2,夏建生(sheng)1,2,范(fan)利锋3

(盐城工(gong)学(xue)院1.机械工(gong)程学(xue)院;2.江(jiang)苏(su)省模具智能制造工(gong)程技(ji)术(shu)研究中心,盐城 224051;

3.内蒙古大学交通学院(yuan),呼和浩特 010070)

摘 要:利用化学成分(fen)分(fen)析、组织(zhi)与(yu)断(duan)(duan)(duan)口观察、力学性能测试等方法分(fen)析了高强度(du)35CrMo钢(gang)螺栓在(zai)缩径加工(gong)(gong)过程中的(de)断(duan)(duan)(duan)裂(lie)原因.结果表明(ming):35CrMo钢(gang)螺栓的(de)断(duan)(duan)(duan)裂(lie)具有典型(xing)的(de)脆性断(duan)(duan)(duan)裂(lie)特征;35CrMo钢(gang)组织(zhi)的(de)不均(jun)匀(yun)性导致其抗拉强度(du)较低(di),在(zai)缩径加工(gong)(gong)的(de)矫直(zhi)工(gong)(gong)序中,当螺栓缩径部位的(de)拉拔力较高时,螺栓断(duan)(duan)(duan)裂(lie).

关键词:35CrMo钢;螺(luo)栓;缩径加(jia)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(ye)塔筒中普遍使用35CrMo钢制(zhi)螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan).某厂在(zai)使用35CrMo钢生产塔筒螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)的(de)过(guo)程(cheng)中,在(zai)缩(suo)(suo)径加(jia)工(gong)(gong)的(de)拉拔(ba)矫直工(gong)(gong)序时螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)经常(chang)发(fa)生断裂(lie),造(zao) 成(cheng)(cheng) 材 料 的(de) 浪 费 和 成(cheng)(cheng) 本 的(de) 增 加(jia).国 内 外 在(zai)35CrMo钢的(de)断裂(lie)失(shi)效分析(xi)(xi)方面均已进(jin)行了(le)较(jiao)多的(de)研(yan)究(jiu)[1G4],但对(dui)于(yu)其在(zai)加(jia)工(gong)(gong)过(guo)程(cheng)中断裂(lie)原(yuan)因(yin)(yin)的(de)研(yan)究(jiu)较(jiao)少.为(wei)了(le)找到35CrMo钢螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)在(zai)缩(suo)(suo)径加(jia)工(gong)(gong)时断裂(lie)的(de)原(yuan)因(yin)(yin),作者对(dui)此断裂(lie)螺(luo)(luo)栓(shuan)(shuan)进(jin)行了(le)失(shi)效分析(xi)(xi).

1 理化(hua)检验(yan)及结果

1.1 化学(xue)成(cheng)分

    在断 裂(lie) 35CrMo钢 螺(luo) 栓 上(shang) 取 样,根 据 GB/T4336-2002,利(li)用 Labspark1000型火花(hua)直读光谱(pu)仪进行(xing)化(hua) 学 成 分(fen)(fen) 检 测.由 表 1 可(ke) 见,断 裂(lie) 螺(luo) 栓 钢的化(hua)学成分(fen)(fen)满足 GB/T3077-1999对35CrMo钢的化(hua)学成分(fen)(fen)要求(qiu),有害元素磷、硫的含量低于标准(zhun)规定的指标.

1.2 断口形(xing)貌和夹杂物

    由图1可以(yi)看(kan)出:断裂(lie)螺栓(shuan)断口(kou)(kou)(kou)呈灰色,表面粗糙,可见明显棱(leng)线;断口(kou)(kou)(kou)附近无塑性(xing)变形区(qu),断口(kou)(kou)(kou)表面存在裂(lie)纹源区(qu)和裂(lie)纹扩展区(qu);断口(kou)(kou)(kou)具有典型的(de)脆性(xing)断裂(lie)特征.在断裂(lie) 螺 栓(shuan) 断 口(kou)(kou)(kou) 处 的(de) 裂(lie) 纹 源 区(qu) 截 取(qu) 试(shi) 样,在FEIQuanta200型 扫 描 电 镜(jing) (SEM)下 观(guan) 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(lie)纹(wen)源(yuan)区(qu)(qu)附近无冶(ye)金和加工缺陷;裂(lie)纹(wen)源(yuan)区(qu)(qu)主要(yao)呈穿晶(jing)断裂(lie)和沿(yan)晶(jing)断裂(lie)形(xing)貌,并伴有韧窝混合断裂(lie)特(te)征;在裂(lie)纹(wen)源(yuan)区(qu)(qu)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(dai)的 EDAXGenesis2000型能谱仪(EDS)对(dui)夹杂(za)物(wu)进行化(hua)学成(cheng)分(fen)分(fen)析.由图3可(ke)以(yi)看出(chu),裂(lie)纹源区的夹杂(za)物(wu)主要(yao)有氧化(hua)物(wu)、硅酸(suan)盐和铝酸(suan)盐等.颗粒较大的硅铝酸(suan)盐类(lei)(尺寸达25 mm)和球状氧化物(wu)(尺寸达9mm)的(de)聚集分布(bu)将(jiang)降低钢(gang)的(de)韧性,对螺栓(shuan)的(de)后续加工(gong)危害极(ji)大(da).特别是(shi)在(zai)拉拔矫直工(gong)序中(zhong)(zhong),它们可作(zuo)为(wei)裂(lie)纹源.同时,这些夹(jia)(jia)杂(za)物(wu)破(po)坏了钢(gang)基体的(de)连续性,造(zao)成应力集中(zhong)(zhong).一旦受(shou)到拉应力或切应力的(de)作(zuo)用,裂(lie)纹将(jiang)在(zai)夹(jia)(jia)杂(za)物(wu)处萌生,沿夹(jia)(jia)杂(za)物(wu)扩展,最终导(dao)致断裂(lie).

1.3 显微组织

    将(jiang)螺(luo)(luo)栓缩(suo)径区剖(pou)开(kai),横向截取金相试样,经4%(体积分数)硝酸酒精溶(rong)液(ye) 腐 蚀 后,用 FEIQuanta200型扫描(miao)电镜(SEM)观察其显微(wei)组织(zhi)(zhi).由图4可(ke)以(yi)看出,螺(luo)(luo)栓缩(suo)径区中心(xin)(xin)的(de)(de)(de)显微(wei)组织(zhi)(zhi)主要为(wei)上贝氏(shi)体(呈羽毛(mao)状和(he)颗(ke)粒状),边缘位置的(de)(de)(de)显微(wei)组织(zhi)(zhi)主要为(wei)上贝氏(shi)体,其晶粒相对(dui)粗(cu)大.从螺(luo)(luo)栓缩(suo)径区中心(xin)(xin)到边缘显微(wei)组织(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)变化可(ke)以(yi)看出,该螺(luo)(luo)栓的(de)(de)(de)显微(wei)组织(zhi)(zhi)不均(jun)匀.

1.4 力学性能

1.4.1 硬(ying) 度(du)

    在(zai)断裂螺(luo)栓缩径(jing)区,垂(chui)直于轴(zhou)线方向(xiang)用线切割机床切取厚度(du)(du)为(wei)8 mm 的(de)试样,利用 HRG150A 型手动洛氏(shi)硬(ying)度(du)(du)计和(he) HBEG3000A 型电子(zi)布(bu)氏(shi)硬(ying)度(du)(du)计测截面硬(ying)度(du)(du),测试部位为(wei)近表面位置(zhi)(zhi)(如图(tu)5中(zhong)1,6,a,f所示)、1/2R(R 为(wei)试样半径(jing))处(如图(tu)5中(zhong)2,5,b,e)、中(zhong)心位置(zhi)(zhi)(如图(tu)5中(zhong)c所示)硬(ying)度(du)(du).布(bu)氏(shi)硬(ying)度(du)(du)测试时的(de)压头直径(jing)为(wei)5mm,载荷为(wei)7350N.测试结果显示,测试点1,2,3,4,5,6处的(de)硬(ying)度(du)(du)分(fen)别为(wei)38.0,40.5,42.0,41.0,41.5,39.0HRC,测试点a,b,c,d,e,f处的(de)硬(ying)度(du)(du)分(fen)别为(wei) 459,350,337,340,429,289HBW.不同位置(zhi)(zhi)的(de)硬(ying)度(du)(du)差异(yi)较大,这验证了螺(luo)栓组(zu)织的(de)不均(jun)匀性.

1.4.2 室(shi)温冲(chong)击韧性

    在断 裂 螺 栓 未(wei) 变 形 部 位(wei) 横(heng) 向 截(jie) 取 尺(chi) 寸(cun) 为10mm×10mm×50mm 的冲(chong)(chong)击试(shi)样(yang),开 V 型缺(que)口,采用JBGS300型数显摆锤式冲(chong)(chong)击试(shi)验机进行室温冲(chong)(chong)击试(shi)验.测得不(bu)同试(shi)样(yang)的冲(chong)(chong)击韧(ren)度(du)分别(bie)为145.0,102.5,112.0J??cm-2,均高于 GB/T3077-1999规定的35CrMo钢冲(chong)(chong)击韧(ren)度(du)指标(不(bu)小(xiao)于78J??cm-2).但(dan)是,其冲(chong)(chong)击韧(ren)度(du)测试(shi)值(zhi)的差异较大(da),说明不(bu)同区域韧(ren)性(xing)(xing)差异较大(da),这验证了螺栓组织的不(bu)均匀(yun)性(xing)(xing).

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(wen)拉伸性(xing)能

    在断(duan)裂(lie)螺(luo)栓(shuan)未(wei)变(bian)形区和缩径区横(heng)向截取拉(la)(la)(la)伸试(shi)(shi)样,尺寸如图6所(suo)示.利用(yong) XDG121A 型材(cai)料万能试(shi)(shi)验(yan)机进行拉(la)(la)(la)伸性能试(shi)(shi)验(yan),拉(la)(la)(la)伸速度为(wei)2mm??min-1.试(shi)(shi)样拉(la)(la)(la)伸断(duan)裂(lie)位(wei)置(zhi)均(jun)接近中间位(wei)置(zhi),螺(luo)栓(shuan)未(wei)变(bian)形区

和(he)缩(suo)径 区 的(de)(de) 抗 拉 强 度 分(fen) 别 为 (680±20)MPa 和(he)(780±10)MPa,均低(di)于(yu) GB/T3077-1999规(gui)定(ding)的(de)(de)性能指标 (不 小 于(yu) 985 MPa);断 后 伸 长(zhang) 率(lv) 分(fen) 别 为12.0%±0.6%和(he)8.0%±0.5%,小于(yu) GB/T3077-1999规(gui)定(ding)的(de)(de)指标(不小于(yu)12%).螺栓(shuan)缩(suo)径区比未变(bian)形区具有更(geng)高的(de)(de)抗拉强度,但(dan)伸长(zhang)率(lv)有所下(xia)降.这说明(ming)螺栓(shuan)在缩(suo)径拉拔(ba)过程中存在一(yi)定(ding)的(de)(de)加(jia)工硬化作用,导(dao)致抗拉强度提高而塑性降低(di).


1.4.4 缩径区(qu)表面(mian)残(can)余应(ying)力

    采用 XStress3000型 X射线残余(yu)应(ying)(ying)力(li)分析仪测得螺栓(shuan)缩径区的(de)残余(yu)应(ying)(ying)力(li)为(wei)(172.58±20.00)MPa.螺栓(shuan)在缩径拉(la)拔过程中,其(qi)表面受(shou)到外(wai)载荷(he)作用,在距表面一定距离内发(fa)生(sheng)弹(dan)塑性变形.当外(wai)载荷(he)卸去后,弹(dan)性变形恢复(fu),而塑性变形保留,形成表面残余(yu)应(ying)(ying)力(li).当残余(yu)应(ying)(ying)力(li)和矫(jiao)直过程中的(de)切向应(ying)(ying)力(li)叠加时,可(ke)诱发(fa)缩径区的(de)断裂.

2 断裂原因分析

    断(duan)裂(lie)螺栓用35CrMo钢中的(de)(de)非金(jin)属夹杂物(wu)(wu)含量较(jiao)高,特别是脆性夹杂物(wu)(wu)级别较(jiao)高,且(qie)呈(cheng)大(da)颗(ke)粒聚集分布(bu).由于非金(jin)属夹杂物(wu)(wu)同(tong)基(ji)体(ti)金(jin)属的(de)(de)弹塑性存在(zai)较(jiao)大(da)差(cha)异,在(zai)拉拔矫直变形时,夹杂物(wu)(wu)周围产(chan)生应(ying)力集中,使夹杂物(wu)(wu)和基(ji)体(ti)的(de)(de)界面出现(xian)微裂(lie)纹(wen).随(sui)着变形的(de)(de)不断(duan)进行,微裂(lie)纹(wen)不断(duan)萌(meng)生并扩展形成空洞,破坏了(le)基(ji)体(ti)的(de)(de)连续性,进一步(bu)造成应(ying)力集中.裂(lie)纹(wen)沿夹杂物(wu)(wu)方向扩展,最终导(dao)致(zhi)螺栓断(duan)裂(lie).断(duan)裂(lie)螺栓缩(suo)径区(qu)的(de)(de)显微组织(zhi)不均匀,导(dao)致(zhi)螺栓不同(tong)区(qu)域的(de)(de)力学性能存在(zai)较(jiao)大(da)差(cha)异:缩(suo)径区(qu)横截面

不同位(wei)置(zhi)处的(de)硬度存在差(cha)异,呈现出(chu)极(ji)明显(xian)的(de)非对(dui)称性(xing)(xing)(xing);拉拔加(jia)工(gong)过程中产生(sheng)了加(jia)工(gong)硬化,导(dao)致螺(luo)栓(shuan)的(de)抗拉强度增大而塑性(xing)(xing)(xing)降低.组织(zhi)和力学性(xing)(xing)(xing)能的(de)不均匀性(xing)(xing)(xing)使得(de)螺(luo)栓(shuan)在外力作用下(xia)易(yi)产生(sheng)应力集中,进而造成裂(lie)纹在局部位(wei)置(zhi)的(de)萌生(sheng)和扩展(zhan),最终导(dao)致螺(luo)栓(shuan)断裂(lie).

螺栓(shuan)在(zai)拉拔过程中(zhong)在(zai)缩径区产生了(le)较(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)表面残(can)(can)余应(ying)力(li)(li),并在(zai)矫(jiao)直(zhi)过程中(zhong)受到较(jiao)大(da)的(de)(de)切应(ying)力(li)(li).残(can)(can)余应(ying)力(li)(li)与矫(jiao)直(zhi)切应(ying)力(li)(li)的(de)(de)叠加导致螺栓(shuan)的(de)(de)局(ju)部应(ying)力(li)(li)高(gao)(gao)度集中(zhong),为裂纹的(de)(de)萌生提供了(le)较(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)应(ying)力(li)(li)支持.

3 结论与措施

    (1)35CrMo钢螺栓在缩(suo)径加工时的(de)(de)断裂具有典型的(de)(de)脆性(xing)断裂特征.

    (2)35CrMo钢中非金(jin)属夹(jia)杂物含量较高,特别是脆性夹(jia)杂物颗粒级别较高,且呈大(da)颗粒聚(ju)集分布,易形(xing)成裂(lie)纹源(yuan);螺栓组织(zhi)的(de)不均(jun)匀造成有些部(bu)位(wei)的(de)抗拉强度较低,在缩(suo)径矫直工序中,螺栓缩(suo)径部(bu)位(wei)的(de)拉拔力较高时形(xing)成开裂(lie)并(bing)导致螺栓断裂(lie).

    (3)应(ying)在材(cai)质(zhi)检验方面加强管理和控制(zhi),防(fang)止低于国家执行标(biao)准的材(cai)料进(jin)入生产工(gong)序,以(yi)避免出现不合(he)格产品(pin)或降低产品(pin)质(zhi)量.

(文章来源:材料与测试网- >  >  > pp.95

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本田肖战
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