303Se不銹鋼高鎖螺母開裂原因

高靖靖，李旭健，馬 勇，李 影，楊保建，柯書忠

(1.河南航天精工制造有限公司，信陽 464000；2.河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，信陽 464000)

303Se不銹鋼高鎖螺母主要由兩部分組成：一部分是工藝部分，另一部分是工作部分，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。工藝部分可實(shí)現(xiàn)安裝過程中的扳擰，工作部分可實(shí)現(xiàn)最終的緊固連接。安裝該高鎖螺母的過程中，當(dāng)施加一定的力矩時(shí)，其斷徑槽處會(huì)發(fā)生斷裂，工藝部分脫落，完成產(chǎn)品的裝配[1-2]。

圖1 303Se不銹鋼高鎖螺母結(jié)構(gòu)示意

在對303Se不銹鋼材料加工的某不銹鋼高鎖螺母進(jìn)行裝配試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：在無夾層的情況下，將該高鎖螺母擰入到螺栓上，在擰過螺紋區(qū)后，螺栓光桿部位與高鎖螺母螺紋接觸(簡稱裝配試驗(yàn))，當(dāng)繼續(xù)對高鎖螺母施加擰入力矩時(shí)，螺母的斷徑槽不會(huì)被擰斷，反而沿著軸線方向出現(xiàn)開裂，開裂高鎖螺母宏觀形貌如圖2所示。

圖2 開裂高鎖螺母宏觀形貌

筆者通過金相檢驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)分析、顯微硬度測試、殘余應(yīng)力測試，同時(shí)結(jié)合螺母的加工工藝對該高鎖螺母的開裂原因進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施，有效地提高了不銹鋼高鎖螺母的徑向承載能力。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 金相檢驗(yàn)

在該開裂高鎖螺母上制備試樣，利用光學(xué)顯微鏡分別觀察其環(huán)向和軸向顯微組織，開裂高鎖螺母的環(huán)向顯微組織如圖3所示，軸向顯微組織如圖4所示。

圖3 開裂高鎖螺母的環(huán)向顯微組織

圖4 開裂高鎖螺母的軸向顯微組織

由圖3,4可知：幾乎每個(gè)晶粒中都有大量的滑移線，不同晶粒內(nèi)的滑移線取向不同；開裂高鎖螺母材料中含有大量的夾雜物，夾雜物沿軸向拉長。

1.2 顯微硬度測試

利用顯微硬度計(jì)測試開裂高鎖螺母收口段的環(huán)向剖面和軸向剖面的顯微硬度，在截面中心測試5個(gè)點(diǎn)，結(jié)果如表1所示。

表1 高鎖螺母收口段環(huán)向剖面和軸向剖面的顯微硬度 HV

為了對比高鎖螺母收口部位與法蘭部位的顯微硬度，在該開裂高鎖螺母的法蘭部位選取軸向剖面的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果如表2所示。

表2 高鎖螺母法蘭部位的顯微硬度 HV

由表1,2可知：高鎖螺母收口部位的軸向剖面顯微硬度大于環(huán)向剖面顯微硬度；高鎖螺母收口部位的顯微硬度高于法蘭部位的顯微硬度。

1.3 SEM分析

用SEM分析開裂高鎖螺母的斷口，高鎖螺母收口部位斷口的SEM形貌如圖5所示；遠(yuǎn)離高鎖螺母收口部位斷口的SEM形貌如圖6所示。

圖5 高鎖螺母收口部位斷口的SEM形貌

圖6 遠(yuǎn)離高鎖螺母收口部位斷口的SEM形貌

由圖5,6可知：開裂高鎖螺母斷口的微觀形貌均為韌窩，是典型的塑性斷裂特征；韌窩沿軸向分布；開裂高鎖螺母的失效模式為塑性過載斷裂，裂紋起源于高鎖螺母外壁收口點(diǎn)附近。

1.4 殘余應(yīng)力測試

選取未安裝使用的高鎖螺母，利用X射線殘余應(yīng)力測試儀測試兩個(gè)收口點(diǎn)連線中點(diǎn)位置的殘余應(yīng)力和收口點(diǎn)的殘余應(yīng)力，測試位置如圖7所示。兩個(gè)收口點(diǎn)連線中點(diǎn)位置(點(diǎn)1～4)的殘余應(yīng)力分別為-102.7，-93.6，-182.3，-241.8 MPa，收口點(diǎn)位置附近的殘余應(yīng)力如表3所示。

表3 高鎖螺母收口點(diǎn)位置附近殘余應(yīng)力 MPa

圖7 高鎖螺母殘余應(yīng)力測試位置示意

由殘余應(yīng)力測試結(jié)果可知：高鎖螺母外壁遠(yuǎn)離收口點(diǎn)位置存在殘余壓應(yīng)力；高鎖螺母外壁收口點(diǎn)局部位置存在較高的殘余拉應(yīng)力。

2 開裂原因分析

2.1 材料分析

303Se不銹鋼高鎖螺母開裂件的晶粒中有大量滑移線，不同晶粒內(nèi)滑移線取向不同；材料中含有大量的夾雜物，夾雜物沿軸向拉長。為了驗(yàn)證夾雜物對裂紋的影響，選取6批符合標(biāo)準(zhǔn)AMS5640U—2007SteelCorrosionResistant,Bars,Wire,Shapes,andRorgings18Cr-9.0NiFreeMaching的不同爐批號的303Se不銹鋼加工為高鎖螺母，發(fā)現(xiàn)加工的高鎖螺母在裝配試驗(yàn)過程中均出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，結(jié)果如表4所示。

表4 不同爐批號的303Se不銹鋼高鎖螺母裝配試驗(yàn)結(jié)果

對303Se不銹鋼原材料進(jìn)行金相檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)參與驗(yàn)證的原材料中存在夾雜物，故可以推斷，裝配試驗(yàn)下的開裂與夾雜物無直接關(guān)系。

查詢標(biāo)準(zhǔn)HST 1087—2000StainlessSteelTensileHighLockNut可知，302，305，303Se不銹鋼均可以用于加工高鎖螺母。選用5批符合標(biāo)準(zhǔn)AMS-QQ-S-763B—2006Steel,CorrosionResistant,Bars,Wire,Shapes,andRorgings的不同質(zhì)保號的302不銹鋼材料，按照同樣工藝路線進(jìn)行加工，發(fā)現(xiàn)采用302不銹鋼材料加工的高鎖螺母在裝配試驗(yàn)下均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，結(jié)果如表5所示。

表5 不同質(zhì)保號的302不銹鋼高鎖螺母裝配試驗(yàn)結(jié)果

故可以推斷，高鎖螺母在裝配試驗(yàn)下發(fā)生開裂與材料性質(zhì)有一定的關(guān)系。為了對比303Se不銹鋼和302不銹鋼，采用直讀光譜儀對這兩種材料成形高鎖螺母的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表6所示。

由表6可知：303Se不銹鋼中含有硒元素，303Se屬于易切削不銹鋼[3]。

表6 303Se，302不銹鋼材料高鎖螺母的化學(xué)成分 %

2.2 成形方式分析

為了驗(yàn)證成形方式對高鎖螺母開裂的影響，采用兩種加工方式對產(chǎn)品進(jìn)行研究。

2.2.1 車加工成形

查詢標(biāo)準(zhǔn)AMS5640U—2007可知，303Se不銹鋼原材料的最大抗拉強(qiáng)度為862 MPa。為了保證高鎖螺母抗拉力的要求，采用抗拉強(qiáng)度為850 MPa～862 MPa的原材料直接車加工，產(chǎn)品的加工路線為備料→車加工→收口→表面處理。選取車加工的高鎖螺母進(jìn)行裝配試驗(yàn)和力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)：① 303Se不銹鋼材料車加工成形的高鎖螺母在裝配試驗(yàn)下不會(huì)開裂；② 車加工成形時(shí)，高鎖螺母的最小抗拉強(qiáng)度無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.2 冷擠壓成形

根據(jù)300系列不銹鋼的冷作強(qiáng)化特性[4]，分別選用303Se不銹鋼和302不銹鋼材料進(jìn)行擠壓成形加工，通過冷變形提高抗拉強(qiáng)度，加工路線為：備料→冷擠壓→精加工→收口→表面處理，其中冷擠壓成形方式如圖8所示。

圖8 冷擠壓成形方式示意

對擠壓成形的高鎖螺母進(jìn)行裝配試驗(yàn)和力學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)303Se不銹鋼和302不銹鋼材料經(jīng)過擠壓成形加工后，其硬度有較大提升，擠壓前后的硬度如表7所示。

表7 303Se，302不銹鋼材料冷擠壓成形前后的硬度 HV

冷擠壓成形方式加工的高鎖螺母的最小抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；303Se不銹鋼材料冷擠壓成形加工的螺母在裝配試驗(yàn)下有開裂現(xiàn)象；302不銹鋼材料冷擠壓成形加工的高鎖螺母在裝配試驗(yàn)下無開裂現(xiàn)象。

2.2.3 不同成形方式的對比

對車加工和冷擠壓兩種不同成形方式加工的高鎖螺母進(jìn)行對比，可以得出以下結(jié)論。

(1) 高鎖螺母車加工時(shí)，抗拉強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，故該成形方式不適合。

(2) 303Se不銹鋼和302不銹鋼材料經(jīng)過冷擠壓變形后，高鎖螺母的抗拉強(qiáng)度增大且滿足標(biāo)準(zhǔn)HST 1087—2000要求。

(3) 高鎖螺母在裝配試驗(yàn)下開裂與產(chǎn)品的成形方式及材料性能有一定的關(guān)系。

2.3 開裂原因分析

不銹鋼在冷變形時(shí)其抗變形力較高，且隨著所承受的變形程度的增加而持續(xù)上升，金屬的塑性隨著變形程度的增加而逐漸下降，表現(xiàn)出明顯的硬化現(xiàn)象[5-6]。開裂高鎖螺母的理化檢驗(yàn)結(jié)果說明了以下幾點(diǎn)。

(1) 303Se不銹鋼材料在冷擠壓加工時(shí)，材料抗拉強(qiáng)度升高，塑性降低，在高載荷作用下發(fā)生開裂現(xiàn)象。

(2) 裝配試驗(yàn)中，螺紋被螺栓光桿擠壓變形，對螺母徑向施加了較大載荷。

(3) 殘余應(yīng)力測試結(jié)果表明，收口點(diǎn)位置存在殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力疊加在外加應(yīng)力上，會(huì)導(dǎo)致該處應(yīng)力增大。

(4) 螺母收口點(diǎn)位置是薄弱區(qū)域，有以下3個(gè)原因：① 收口點(diǎn)位置在收口時(shí)經(jīng)過二次變形，并發(fā)生二次硬化，塑性繼續(xù)下降；② 收口點(diǎn)位置相對其他位置的壁厚較薄，在同樣載荷作用下，該處的應(yīng)力較高；③ 收口點(diǎn)位置存在截面變化，會(huì)引起局部的應(yīng)力集中，在同樣載荷作用下，該處應(yīng)力相比其他位置要高。

3 結(jié)論及建議

(1) 高鎖螺母在裝配試驗(yàn)中出現(xiàn)開裂的原因?yàn)?303Se不銹鋼材料在冷擠壓成形時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度升高、塑性降低，在高載荷作用下發(fā)生開裂現(xiàn)象，開裂高鎖螺母的失效模式為塑性過載開裂。

(2) 建議將高鎖螺母的材料由303Se不銹鋼更換為302不銹鋼，同時(shí)合理控制冷擠壓變形量，可使其抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性達(dá)到要求，并有效地提高不銹鋼高鎖螺母的徑向承載能力。

(3) 通過對高鎖螺母的工藝進(jìn)行改進(jìn)，排除了高鎖螺母在裝配試驗(yàn)中的開裂故障。工藝改進(jìn)后，高鎖螺母的微觀組織、力學(xué)性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其徑向承載能力得到明顯提高。