馬氏體不銹鋼螺栓材料疲勞性能對(duì)比研究

賈朋剛，張 妍

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

承受較大復(fù)雜載荷且對(duì)水電機(jī)組的安全運(yùn)行起到關(guān)鍵作用的螺栓，所采用的材質(zhì)多數(shù)為34CrNi3Mo、42CrMo、35CrMo等合金鋼鍛件，在水介質(zhì)環(huán)境或者潮濕環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行服役后，表面多數(shù)出現(xiàn)了一定程度的銹蝕問(wèn)題，對(duì)檢修時(shí)螺栓的拆卸安裝造成了很大的麻煩，也給后續(xù)螺栓的壽命造成了嚴(yán)重的影響[1-2]。馬氏體不銹鋼材料在常規(guī)水介質(zhì)或者潮濕環(huán)境中表現(xiàn)出了良好的耐腐蝕性，目前在水電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪、抗磨板、迷宮環(huán)等流速高腐蝕磨蝕情況比較易發(fā)的重要部位得到了廣泛的應(yīng)用。但是馬氏體不銹鋼在水電機(jī)組的聯(lián)軸螺栓、頂蓋螺栓、槳葉連接螺栓等重要受力緊固件上的應(yīng)用還尚未看到，其疲勞性能的對(duì)比研究還不清楚，目前還只是停留在常規(guī)的小型標(biāo)準(zhǔn)件上使用，例如在水箱連接件、水導(dǎo)密封件的連接緊固上[3-5]。因此，有必要研究馬氏體不銹鋼螺栓材料的疲勞特性，為后續(xù)馬氏體不銹鋼鍛件材料在特殊螺栓連接場(chǎng)合替代低合金鋼鍛件材料的可行性提供有效論證，滿足水電機(jī)組關(guān)鍵部套的螺栓連接的可靠性和安全性。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用φ120 mm的馬氏體不銹鋼鍛件材料0Cr13Ni5Mo(以下簡(jiǎn)稱13-5)、0Cr16Ni5Mo(以下簡(jiǎn)稱16-5)和0Cr17Ni4Cu4Nb(以下簡(jiǎn)稱17-4)。

1.2 試驗(yàn)方法

采用直度光譜儀對(duì)材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析。采用1∶1鹽酸水對(duì)材料的全截面試樣進(jìn)行熱酸洗低倍檢驗(yàn)。在鍛件1/2半徑處取樣，經(jīng)粗磨、精磨、拋光，4%硝酸酒精溶液腐蝕后采用奧林巴斯PMJ倒式顯微鏡觀察鐵素體和馬氏體組織。拉伸試驗(yàn)采用日本島津公司的AG-I 250 kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)按GB/T 228.1—2010和GB/T 228.2—2015進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)采用上海華龍測(cè)試儀器有限公司的CBD-300擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)采用10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試樣，試驗(yàn)按GB 229—2007和GB/T 12778進(jìn)行。疲勞性能試驗(yàn)采用HT-8120曲屈疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)按GB/T 4337—2008和GB/T 24176—2009進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

表1給出了不同種類不銹鋼高強(qiáng)螺栓鍛件材料的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果。相比不銹鋼13-5，不銹鋼16-5具有更高的Cr、Ni含量，而不銹鋼17-4中加入Cu，進(jìn)一步提高Cr含量的同時(shí)降低Ni含量。

表1 不同類型不銹鋼材料的成分對(duì)比

2.2 組織分析

表2給出了不同種類不銹鋼高強(qiáng)螺栓鍛件材料的低倍檢驗(yàn)結(jié)果，鍛件13-5，鍛件16-5以及鍛件17-4的低倍組織均無(wú)異常。

表2 低倍檢驗(yàn)結(jié)果(等級(jí))

圖1是三種不銹鋼螺栓鍛件材料在半徑1/2處的金相組織?？梢钥闯?，不銹鋼13-5的組織為回火馬氏體，不銹鋼16-5和不銹鋼17-4都是回火馬氏體+鐵素體組織，但是16-5中的鐵素體量少且呈彌散分布，而17-4組織中含有更多的鐵素體，且呈連續(xù)分布。

圖1 馬氏體不銹鋼螺栓材料的金相組織

2.3 力學(xué)性能

取三種不銹鋼螺栓材料表面以下處、半徑1/2處和中心處的軸向拉伸試樣，測(cè)試室溫和300 ℃的力學(xué)性能，結(jié)果如圖2?？梢钥闯?，17-4具有最高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能達(dá)到1 000 MPa以上，但延伸率和收縮率明顯降低，16-5的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略高于13-5，二者的延伸率和收縮率無(wú)明顯差別。對(duì)于不同的部位，三種高強(qiáng)螺栓材料從表面到心部的性能均略有降低，其中室溫17-4的延伸率和收縮率下降明顯，其室溫?cái)嗪笱由炻?3.5%，室溫?cái)嗝媸湛s率37%。對(duì)于不同的試驗(yàn)溫度，300 ℃三種不同螺栓材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率較室溫都有明顯的下降，但收縮率都基本保持不變。除了17-4的室溫塑性，三種不銹鋼高強(qiáng)螺栓鍛件材料不同部位的性能無(wú)顯著差異。相對(duì)而言，沉淀硬化不銹鋼17-4的強(qiáng)度高，塑性稍差，馬氏體不銹鋼13-5強(qiáng)度低一些，塑性好，馬氏體不銹鋼16-5具有良好的綜合力學(xué)性能。

分別取三種不同種類的螺栓材料半徑1/2處的軸向沖擊試樣，測(cè)試室溫、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃和-60 ℃的沖擊性能，并測(cè)定沖擊斷口的纖維斷面率，結(jié)果見(jiàn)表3和圖3。從表中可以看出，螺栓材料13-5的FATT50<-60 ℃，螺栓材料16-5的FATT50<-60 ℃，螺栓材料17-4的FATT50>20 ℃。從圖中可以看出，13-5的韌性最好，16-5次之，17-4最差。

分別沿三種不銹鋼高強(qiáng)螺栓鍛件材料的徑向橫截面，從表面到心部再到表面檢測(cè)布氏硬度，結(jié)果見(jiàn)圖4，圖中橫坐標(biāo)為測(cè)試位置，其中“0”是心部，“-5”和“5”是表面。從圖中可以看出，13-5從表面到心部硬度稍有降低，16-5與17-4硬度降低不明顯，17-4的硬度明顯高于其他兩種螺栓材料。

(a)屈服強(qiáng)度；(b)抗拉強(qiáng)度；(c)斷后伸長(zhǎng)率；(d)斷面收縮率 圖2 馬氏體不銹鋼螺栓材料不同部位的室溫和高溫力學(xué)性能對(duì)比

表3 馬氏體不銹鋼螺栓材料的沖擊值和纖維斷面率

圖3 馬氏體不銹鋼螺栓材料不同溫度的沖擊值

圖4 馬氏體不銹鋼螺栓材料徑向硬度分布規(guī)律

2.4 疲勞性能

13-5的升降法數(shù)據(jù)列于表4，16-5的升降法數(shù)據(jù)列于表5，17-4的升降法數(shù)據(jù)列于表6。

表7是通過(guò)試驗(yàn)與計(jì)算獲得的三種馬氏體不銹鋼材料的A、B、C、D四個(gè)系數(shù)，以及疲勞強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖5是三種不銹鋼材料的S-N曲線。

表4 13-5升降法數(shù)據(jù)試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)(共14只)

表5 16-5升降法數(shù)據(jù)試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)(共14只)

表6 17-4升降法數(shù)據(jù)試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)(共15只)

表7 13-5材料疲勞強(qiáng)度平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差

表8為不銹鋼螺栓材料的疲勞極限σ-1與強(qiáng)度，σ-1從大到小依次為：16-5>17-4>13-5。13-5與16-5的σ-1都大于0.23(Rp0.2+Rm)而小于0.27(Rp0.2+Rm)，17-4的σ-1小于0.23(Rp0.2+Rm)。相比13-5，16-5強(qiáng)度提高的同時(shí)σ-1也增大，韌性無(wú)明顯下降，沖擊值能達(dá)到130 J，而17-4的強(qiáng)度最高但σ-1并非最大，可能與韌性較差有關(guān)，沖擊值只有45 J。因此，未來(lái)在考慮高強(qiáng)螺栓的疲勞性能時(shí)，除了強(qiáng)度指標(biāo)，還應(yīng)綜合考慮韌性指標(biāo)，并非強(qiáng)度越高螺栓材料的疲勞性能越好。

(a) 13-5； (b) 16-5； (c) 17-4 圖5 馬氏體不銹鋼螺栓材料的S-N曲線

表8 馬氏體不銹鋼螺栓材料的疲勞極限和強(qiáng)度

3 結(jié)論

馬氏體不銹鋼螺栓材料13-5的強(qiáng)度低塑韌性好，σ-1為458.3 MPa，17-4的強(qiáng)度高塑韌性差，σ-1為469.0 MPa，16-5具有良好的綜合力學(xué)性能，σ-1為486.5 MPa。馬氏體不銹鋼16-5的疲勞性能高，綜合力學(xué)性能好，具備替代低合金鋼應(yīng)用于水電機(jī)組的高強(qiáng)連接螺栓的潛質(zhì)。