耐熱雙頭螺柱斷裂分析

劉 勇 ， 倪 莉 ， 張 挺 ， 許佳焱 ， 馬勤超 ， 周 旭 ， 毛錫非 ， 顧龍佳

（浙江國檢檢測技術(shù)股份有限公司，浙江 海鹽 314300）

0 引言

4Cr9Si2 是一種應(yīng)用較廣的馬氏體耐熱不銹鋼，有較高的熱強(qiáng)性，主要用于制造鍋爐、汽輪機(jī)、動力機(jī)械、航空、石油化工等在高溫下工作的螺柱、螺栓零部件等。機(jī)械領(lǐng)域存在大量各種形式的螺栓、螺柱連接，其失效的基本類型主要有疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、沿晶開裂、脆性斷裂、氫致延遲斷裂等[1-6]。

柴油機(jī)臺架上的耐熱雙頭螺柱在進(jìn)行耐久試驗時發(fā)生斷裂，試驗時間為20～300 h，使用狀態(tài)為淬火+高溫回火，制造工藝為：落料-熱處理（淬火+回火）-磨床加工-數(shù)控加工-搓絲。本研究對螺柱的斷裂特征進(jìn)行宏微觀形貌觀察，對螺柱的金相顯微組織及化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行檢測，并通過對完整螺柱件進(jìn)行模擬裝配、高溫松弛等分析，確定該螺柱的斷裂性質(zhì)及產(chǎn)生原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

發(fā)生斷裂的螺柱臺架整體外觀形貌如圖1 所示，該臺架上存在大量的螺柱連接，使用過程中一個臺架上發(fā)生1～3 件螺柱斷裂的情況。斷裂螺柱宏觀形貌見圖2，斷裂位置為側(cè)螺紋收尾處。

1.2 斷口掃描分析

線切割截取螺柱斷裂部位，使用超聲波清洗斷口后，放置在S-3400N 掃描電鏡上觀察斷口的形貌，可見斷面平整光亮，呈金屬本色，未見明顯塑性變形。斷口邊緣均可見明顯的輪輻狀臺階，斷面可見明顯的疲勞弧線[7-9]（圖3）。

圖 1 臺架外觀形貌Fig.1 Appearance of platform

圖 2 斷裂螺柱宏觀形貌Fig.2 Appearance of fractured stud

對斷面的疲勞擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行微觀形貌分析，可見明顯的疲勞條帶，條帶間距較小，在斷裂區(qū)可見明顯的韌窩形貌（圖4）。

1.3 金相分析

在斷口附近截取試塊制成金相試樣，在DMI5000M 徠卡金相顯微鏡下觀察螺柱斷口附近縱截面。圖5 為螺柱斷口附近金相組織，可見斷裂起始于螺紋牙底。斷口附近螺紋牙底未發(fā)現(xiàn)明顯的脫碳現(xiàn)象，但可見明顯的折疊缺陷。

圖 4 斷口微觀形貌Fig.4 Micro appearance of the fracture

圖 5 斷口附近金相組織Fig.5 Metallographic microstructure near the fracture

螺柱要求使用狀態(tài)為淬火+高溫回火，組織應(yīng)為回火索氏體，對螺柱斷口附近進(jìn)行顯微組織檢查，組織為均勻的回火索氏體，組織致密，無異常。對螺柱斷口附近非金屬夾雜物形態(tài)進(jìn)行檢查，為D 類球狀氧化物（細(xì)系）1 級，無異常。

1.4 材質(zhì)分析

從斷裂螺柱取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可知螺柱材質(zhì)符合相關(guān)技術(shù)要求。

表 1 螺柱化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of stud (mass fraction /%)

1.5 硬度檢測

螺柱的設(shè)計強(qiáng)度指標(biāo)抗拉強(qiáng)度≥885 MPa，從斷裂螺柱取樣進(jìn)行芯部維氏硬度檢測，得出平均芯部硬度值為HV10295，換算成抗拉強(qiáng)度為937 MPa，符合相關(guān)技術(shù)要求。

1.6 模擬裝配試驗

截取組合件法蘭螺紋孔，與完好螺柱及螺母組成連接副，模擬安裝過程中螺柱的實際受力狀態(tài)，結(jié)果表明，當(dāng)施加扭矩值為18～23 N·m 時，螺柱承受的軸力為8.46～10.79 kN，遠(yuǎn)小于螺柱理論最小屈服力25.07 kN，實際安裝中螺栓承受軸力不足屈服力的50%。

1.7 高溫松弛試驗

根據(jù)螺柱使用環(huán)境情況，對完好螺柱進(jìn)行高溫松弛試驗，溫度為500 ℃，初始載荷為10.79 kN，保持位移不變，結(jié)果曲線如圖6 所示，500 ℃下保持24 h 后，螺柱承受載荷由10.79 kN 衰減至6.84 kN。

圖 6 高溫松弛試驗曲線圖Fig.6 Diagram of relaxation test at high temperature

2 分析與討論

從以上試驗結(jié)果可知，螺柱斷口斷面平整，無明顯塑性變形，斷口宏觀上可見明顯的疲勞弧線，微觀形貌可見大面積的疲勞條帶，且間距較窄，得出疲勞裂紋擴(kuò)展過程中螺柱受力較小，終斷區(qū)面積不足整個斷面面積的10%，說明最終斷裂時螺柱受力較小，根據(jù)文獻(xiàn)[10-13]中對高周低應(yīng)力疲勞斷裂性質(zhì)的判定原則，并結(jié)合模擬試驗結(jié)果可知，失效螺柱斷裂性質(zhì)為高周低應(yīng)力疲勞斷裂。

失效螺柱和完好螺柱的化學(xué)成分、顯微組織、表面脫碳、非金屬夾雜物、力學(xué)性能等指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)異常，由此可說明螺柱的斷裂與材質(zhì)無關(guān)。但從螺柱斷口附近金相組織中可知，螺紋牙底存在明顯的折疊缺陷，此類缺陷容易加劇牙底的應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋的起源。模擬安裝試驗也得出，施加扭矩為23 N·m 時，螺柱承受預(yù)緊力不足其屈服力的50%，在振動作用下螺柱易發(fā)生松動，松動后螺柱將承受復(fù)雜的交變應(yīng)力作用，易在其應(yīng)力集中部位萌生疲勞裂紋。另外，高溫松弛試驗結(jié)果顯示，500 ℃保持24 h 后，在位移不變的情況下螺柱承受載荷衰減至初始載荷的60%，因此高溫下螺柱更易發(fā)生松動。在上述因素的綜合作用下，螺柱的應(yīng)力集中部位首先萌生微裂紋，并在交變載荷作用下不斷擴(kuò)展，最終失穩(wěn)斷裂。

3 結(jié)論與建議

1）耐熱雙頭螺柱的金相組織和力學(xué)性能等均無明顯異常，失效模式為高周低應(yīng)力疲勞斷裂。

2）引起螺柱疲勞斷裂的主要原因是螺紋牙底存在折疊，安裝過程中存在預(yù)緊力不足以及材料存在明顯的高溫松弛現(xiàn)象。

3）建議改進(jìn)搓絲工藝，防止螺紋牙底形成折疊；通過模擬試驗優(yōu)化安裝工藝；螺柱設(shè)計選材時應(yīng)考慮高溫松弛量。