鋼制拉伸器螺母開裂失效分析

張 斌，張向軍，王 宇

(1.清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津 300300； 2.清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

液壓拉伸器是在石油石化、發(fā)電設(shè)備、鐵路系統(tǒng)、船舶、航空航天、采礦、重型機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的螺栓預(yù)緊和拆卸工具[1]。液壓拉伸器精度高，無(wú)扭剪力和側(cè)向力，可以極大地增加螺栓連接的質(zhì)量和安全性能；摩擦系數(shù)的影響可以降低到忽略不計(jì)，當(dāng)多個(gè)拉伸器同時(shí)使用時(shí)可以通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步拉伸。同時(shí)，因無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，可以有效降低接觸面的摩擦磨損。聯(lián)接組件受力均勻，操作及拆裝簡(jiǎn)便，適用性強(qiáng)，適合不同直徑的螺栓使用，螺栓聯(lián)接的可靠性高[2-3]。因此螺栓拉伸器在對(duì)預(yù)緊力要求較嚴(yán)的場(chǎng)合應(yīng)用更為廣泛，可以極大地提高施工工作效率，是精確控制螺栓預(yù)緊力的最佳方法。

但是在實(shí)際的使用過(guò)程中，偶有拉伸器在遠(yuǎn)未達(dá)到使用壽命的時(shí)候發(fā)生斷裂的情況發(fā)生。給使用者帶來(lái)很大的危險(xiǎn)及經(jīng)濟(jì)損失。為研究此現(xiàn)象發(fā)生的原因，有必要進(jìn)行斷裂機(jī)理分析并通過(guò)失效分析找到原因，以減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，也為拉伸器的使用方法及在失效早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)提供借鑒，避免安全事故的發(fā)生。

1 宏觀形貌觀察

對(duì)斷裂失效的拉桿組合后如圖1所示，螺母上有3條軸向貫穿裂紋，如圖2中箭頭1、2、3所示，沿倒角圓周有裂紋延伸，各裂紋處無(wú)明顯變形的跡象，如圖3所示。

圖1 拉桿組合形貌

圖2 螺母裂紋位置示意圖

圖3 螺母裂紋位置示意圖

2 微觀斷口觀察

在螺母斷口的斷裂源區(qū)域取樣，在掃描電鏡下觀察，見圖4，其顯微斷口形態(tài)呈韌窩狀，屬韌性斷裂，沿條狀?yuàn)A雜物有疲勞輝紋產(chǎn)生[4-6]。如圖5所示，斷裂源區(qū)發(fā)現(xiàn)有條帶狀非金屬夾雜物，能譜成分分析結(jié)果見圖6，主要成分為硫化錳。斷口中其它區(qū)域微觀形態(tài)也均呈韌窩狀，均未出現(xiàn)明顯的脆斷特征。

圖4 斷口斷裂源區(qū)形貌

圖5 斷裂源夾雜物微觀形貌

圖6 斷裂源區(qū)夾雜物形貌及成分分析

3 化學(xué)成分分析

在拉桿斷裂失效件上分別對(duì)螺桿和螺母取樣進(jìn)行化學(xué)分析，其結(jié)果見表1。從化學(xué)分析結(jié)果可以看出，除S含量高于成分要求外，其余元素均在要求范圍內(nèi)。

表1 斷裂失效件化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

4 力學(xué)性能試驗(yàn)

1)硬度測(cè)量。分別測(cè)量螺母和螺桿的洛氏硬度，結(jié)果見表2。

表2 洛氏硬度測(cè)量值(HRC)

分別測(cè)量螺母和螺桿從邊界到心部的維氏硬度，距離間隔為0.1 mm，檢測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)明顯的硬度降。部分檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 維氏硬度測(cè)量值

2)拉伸和沖擊試驗(yàn)。在螺桿上取二個(gè)拉伸樣品，樣品編號(hào)分別為L(zhǎng)1、L2；三個(gè)沖擊樣品，樣品編號(hào)分別為C1、C2、C3。檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 失效件力學(xué)性能

5 斷口電鏡觀察[7]

1)拉伸斷口。宏觀觀察樣品L1的斷口為杯錐狀，斷口呈灰色無(wú)光澤。正斷區(qū)在斷口中間區(qū)域，其周圍存在剪切唇，有明顯的延伸和面縮等變形特征，是明顯的塑性斷裂特征，見圖7。在掃描電鏡下觀察纖維區(qū)斷口形態(tài)為韌窩，韌窩小而淺。剪切唇與纖維區(qū)相鄰，表面光滑，與拉應(yīng)力方向成45°角，形狀如杯，微觀形態(tài)為變形的韌窩，見圖8。纖維區(qū)和剪切唇越大，則材料的塑性、韌性越好，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)纖維區(qū)直接與剪切唇相連接的特征。

圖7 L1樣品拉伸斷口宏觀形態(tài)

圖8 L1樣品剪切唇微觀形態(tài)

樣品L2斷口呈灰色無(wú)光澤。正斷區(qū)在斷口中間區(qū)域，其周圍存在很窄的剪切唇，從整個(gè)斷口形態(tài)上看，有一定程度的延伸和面縮等變形特征，但其塑性斷裂特征不是很明顯，見圖9。在掃描電鏡下觀察纖維區(qū)斷口形態(tài)呈韌窩狀+少量解理狀，韌窩小而淺。在裂紋源區(qū)存在細(xì)小的微裂紋，裂紋附近有很多硫化錳夾雜物，見圖10。放射區(qū)微觀形態(tài)呈韌窩狀+少量解理狀。剪切唇微觀形態(tài)呈變形的韌窩狀+少量解理狀。分別對(duì)解理狀與韌窩狀區(qū)域進(jìn)行能譜成分分析，發(fā)現(xiàn)存在微小的成分偏析。

2)沖擊斷口。觀察宏觀斷口形態(tài)，3個(gè)試樣的破壞均是從V形缺口的根部開始，纖維區(qū)在此處形成，然后是放射區(qū)，其他2個(gè)側(cè)面形成剪切唇。這三個(gè)區(qū)域連接的邊界呈弧形，見圖11。在掃描電鏡下，進(jìn)一步觀察沖擊斷口的斷裂特征，斷口啟裂區(qū)的微觀形態(tài)均呈韌窩狀，但是試樣C3的韌窩比其他2個(gè)大而深，見圖12，3個(gè)試樣其它區(qū)域的微觀形態(tài)也呈韌窩狀。

圖9 L2樣品拉伸斷口宏觀形態(tài)

圖10 L2樣品纖維區(qū)微觀形態(tài)

(a)C1樣品；(b)C2樣品；(c)C3樣品

(a)C1樣品；(b)C2樣品；(c)C3樣品

6 金相檢測(cè)

分別檢驗(yàn)螺桿和螺母上取樣的金相，結(jié)果見表5。

從表5中可見：螺桿非金屬夾雜物級(jí)別很低，表明其鋼中的純凈度較好；螺母非金屬夾雜物為A1e，A2，硫化物尺寸很大。金相組織均為回火索氏體[8]，見圖13。

7 分析與討論

1)造成試樣件在使用時(shí)發(fā)生斷裂失效的主要原因應(yīng)是該件的原材料出現(xiàn)夾雜物超標(biāo)。由于存在大量的硫化錳夾雜，相對(duì)于正常部位組織，其強(qiáng)度和塑性低，抗變形能力差，在較高載荷時(shí)，這種應(yīng)力的集中容易產(chǎn)生微裂紋，從而導(dǎo)致零件的失效。

表5 顯微組織和非金屬夾雜物

圖13 金相組織

2)力學(xué)性能結(jié)果表明材料的強(qiáng)度很高，而且具有一定的塑性變形能力。相對(duì)而言同時(shí)具有良好的沖擊韌性。L2拉伸斷口檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)很多小尺寸夾雜物，在拉伸時(shí)，強(qiáng)度和塑性低的夾雜物與基體之間變形的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致了很多細(xì)小微裂紋的產(chǎn)生。這種夾雜對(duì)材料的強(qiáng)度影響不大，但是對(duì)塑性變形能力有很大的影響。

3)硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，螺桿的表層和心部硬度差很小，未進(jìn)行過(guò)表面處理(滲碳、滲氮等)。螺母和螺桿的硬度有差別，可能為材料成分或者熱處理工藝引起。螺母的硬度低，強(qiáng)度低，所以產(chǎn)生失效時(shí)螺母更容易被破壞。

4)金相檢測(cè)觀察發(fā)現(xiàn)組織為回火索氏體，但是保留了一定的馬氏體位向。在拉伸試樣L2中發(fā)現(xiàn)有成分偏析，應(yīng)該是產(chǎn)生斷裂的影響因素，考慮為淬火冷速過(guò)慢，或者調(diào)質(zhì)加熱溫度不足引起。