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1、论文201()・()6・()814:50:42阅读46评论()字号:左中尘订阅穿缸螺栓断裂分柝曾振鹏,曹力军,张惠娟,戴嘉维(上海交通大学高温材料及高温测试教育部重点实验室,上海200030)糜恺(上海电力修造厂有限公司,上海200011)摘要:一根用来紧固节段式水泵的穿缸螺栓仅服役3个月便产生断裂。采用断口分析、金相检验和硬度测定等方法,对断裂螺栓进行了分析。分析结果表明,断口宏观上有明显的贝纹线花样，微观形态主要为疲劳辉纹,因此螺栓的断裂是疲劳断裂。材料棒中存在严重的中心碳偏析致使材料强度不均匀,造成材料强度偏低。碳偏析及材料强度不足是引起断裂的主
2、要原因。关键词:穿缸螺栓;碳偏析;疲劳断裂;失效分析1情况简介一根用于紧固节段式水泵的穿缸螺栓服役仅3个月便产生断裂。螺栓规格为长1830mm,两端各有150mm的螺纹,用于装配紧固螺母。穿缸螺栓材料为的42CrM()A0二JJ1Z挪工垂矽45#X21fj1-1128150)X30断裂位魁2x45°/显3(>FXOC92戛)一精加工一检验。调累纹上,断口与轴向基勺方向的振动。穿缸螺图1穿缸螺栓的形状、尺寸和断裂位置示意图(mm)2检验与分析2.1断口宏观分析断口的宏观形貌见图2。可见断口表面有两种形态,断口中央部位较粗糙,颜色呈暗灰色,这显然是最后断
3、裂区;而四周断口表面平滑，有明显的贝纹线,且贝纹线分成四个区,每个区的贝纹线均呈扇形,但方向不同,其中有两个扇形区的製纹源是在螺纹跟部。断口宏观分析表明,该断口为疲劳断口。图2断口的宏观形态图3中央粗糙区的断口微观形态2.2断口微观分析用扫描电镜对断口的粗糙区和贝纹线区进行观察。图3为中央粗糙区的微观形态，为韧窝花样,局部区域可见到河流花样，表明最后断裂是以韧性断裂方式进行的。图4为断口四周贝纹线区的微观形态,可见到明显的疲劳辉纹，表明此区裂纹是以疲劳方式扩展的。从断口的宏、微观分析可知，穿缸螺栓的断裂为疲劳断裂。ccA/i/XrfA,乙前者为毛下观察
4、，材料内部存在少量的MnS夹杂,弓5。图5深色区的组织为马氏体+极少量体。金相分析表明,该螺栓材料存在严重表1螺栓材料的化学成分（质虽分数）Tab1Giasscalcospodtiouoftl»of%项目CG9SPMbMaNiCuV64431.0620283000840.01590.2070.6400.0610.175000542CvXfoA钢的标准值038'0450.8720.17-0.37<0.03^).0450.15*0.250.57.8■■表2螺栓材料的力学性能Tab2Mechanicalpvupeitiesofthenutenaloftheb
5、olt坝目^(%)#(%)Jk*JHRC实测值^45-975790-85520-185911S-13429〜3542CiNfoA礪训质后1080-1100930・9501245心,63-SO一尸2.5力学性能测定在螺栓1/4直径处截取拉伸试样（纵向）进行测试,结果列于表2。表中同时列出42CMA钢调质处理后的数据。从表中可见,螺栓材料强度偏低,而塑性、韧性偏高。26酸蚀试验将失效螺栓的另一头螺纹段从中心处纵向剖开,精磨后,用1：1的盐酸水溶液进行热蚀（65〜80°C）。图6为经热蚀后的形貌，有明显的流线,原材料存在严重的碳偏析,这与金相观Ai图6螺栓中
6、心纵向剖面热蚀后形貌3分析与讨论3.1穿缸螺栓的断裂性质从断口的宏、微观分析结果可以判定，穿缸螺栓的断裂为疲劳断裂。穿缸螺栓在服役时是固定不动仅起到拉紧作用,即它不应承受疲劳载荷作用的,但为什么螺栓会产生疲劳断裂?这种交变载荷来自何处?笔者认为螺栓承受的交变载荷主要来自两个方面:①服役现场观察，穿缸螺栓在服役时有微小的振动,因此服役时会出现疲劳载荷;②穿缸螺栓的工作温度约为1607由于材料强度不足，在温度作用下，穿缸螺栓装配时的弹性变形会转变成塑性变形,从而使穿缸螺栓产生伸长而引起螺栓的松动,因而在服役时会产生轴向交变应力疲劳载荷。32材质问题虽然穿缸
7、螺栓材料的名义成分符合42CrMoA钢的标准要求,但是材料质量欠佳。从金相分析可知,螺栓材料存在严重的成分偏析,致使材料不能充分发挥其应有的强韧性。从测试结果可知，穿缸螺栓材料的抗拉强度和屈服强度均比一般调质态的42CrMoA钢低lOOMPa左右(约低13%),表明穿缸螺栓材料的强度不足。因材料的疲劳强度与抗拉强度成正比,故螺栓材料的疲劳强度也是不足的。碳偏析即化学成分偏析,是由于在结晶过程中,先结晶的枝干比较纯,碳浓度较低,而迟结晶的枝晶间碳浓度较高所造成的,所以又叫树枝状偏析。在压力加工时,树枝状偏析区域被拉长形成了流线。树枝晶偏析尤以中碳鎔钮、鎔
8、鎳钮钢大锻件最为普遍,它可用高温扩散退火加以改善「1］。原材料中的严重碳偏析会造成紧固件经热处
