合金鋼自鎖螺母振動(dòng)試驗(yàn)失效分析及預(yù)防

徐家強(qiáng)，程?hào)|松，繩慧潔，關(guān)悅，金宏，張玲玲

1.河南航天精工制造有限公司研究所 河南信陽(yáng) 464000

2.河南省緊固連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南信陽(yáng) 464000

1 序言

30CrMnSiA材料屬于調(diào)質(zhì)鋼，具有較高的淬透性，經(jīng)合適的熱處理后，顯微組織為索氏體、貝氏體或極細(xì)的珠光體，具有較高的抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比韌性和疲勞強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)和石油化工等領(lǐng)域[1，2]。然而，關(guān)于30CrMnSiA鋼自鎖螺母振動(dòng)開(kāi)裂研究相對(duì)較少[3，4]。本文通過(guò)合金鋼自鎖螺母裂紋和斷口分析來(lái)研究30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼自鎖螺母裂紋形成機(jī)理，為其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供理論和經(jīng)驗(yàn)支持。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

2.1 外觀檢查

（1）螺母外觀檢查 在對(duì)某合金鋼鍍鎘鈍化自鎖螺母進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，螺母表面出現(xiàn)裂紋，部分螺母在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。對(duì)自鎖螺母振動(dòng)試驗(yàn)失效件外觀檢查發(fā)現(xiàn)，螺母外表面存在T字交叉裂紋，橫向裂紋位于螺母收口部位且與內(nèi)螺紋螺旋線(xiàn)走向一致，如圖1所示。豎向裂紋與橫向裂紋垂直呈T字形，如圖2所示。

圖1 裂紋在螺母外表面形態(tài)

圖2 交叉裂紋外觀形態(tài)

觀察未進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的完好件，螺母直口處存在兩處橫向臺(tái)階，分別位于距螺母端面兩倍螺距處及靠近直口與六方過(guò)渡圓半徑R處，如圖3所示。另外，振動(dòng)試驗(yàn)后的螺母過(guò)渡圓半徑R處也存在裂紋缺陷，如圖4所示。

圖4 振動(dòng)試驗(yàn)后過(guò)渡圓半徑R處裂紋形貌

（2）模具外觀檢查 對(duì)該批次產(chǎn)品收口用模具清洗后進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，收口用模具的一端內(nèi)孔因長(zhǎng)期擠壓螺母直口面而造成磨損，生成臺(tái)階狀磨痕，如圖5所示。另外，將存在兩處橫向臺(tái)階的失效螺母與模具進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模具磨損區(qū)域的高度與失效自鎖螺母兩處橫向臺(tái)階的間距相同。

圖5 臺(tái)階狀磨痕

（3）微觀檢查 采用線(xiàn)切割將失效件臨近豎向裂紋處豎向剖開(kāi)，裂紋處基體材料自然脫落。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行超聲波清洗后，采用掃描電鏡觀察裂紋斷口處形貌，發(fā)現(xiàn)斷口表面未見(jiàn)明顯腐蝕形貌和塑性變形，但斷口處材料存在疲勞裂紋特征。

采用掃描電鏡觀察脫落區(qū)橫向斷口形貌，橫向斷裂處未見(jiàn)明顯的塑性變形，裂紋從螺母收口處螺紋內(nèi)側(cè)根部產(chǎn)生（見(jiàn)圖6），呈線(xiàn)性多源特征且斷口上可見(jiàn)明顯的疲勞裂紋擴(kuò)展臺(tái)階（見(jiàn)圖7），棱線(xiàn)粗大，擴(kuò)展區(qū)面積較大。同時(shí)，在斷口擴(kuò)展區(qū)上可見(jiàn)明顯二次裂紋特征，如圖8所示。

圖6 橫向斷裂源區(qū)形貌

圖7 橫向斷裂區(qū)局部形貌

圖8 橫向裂紋擴(kuò)展區(qū)

采用掃描電鏡觀察豎向脫落區(qū)斷口形貌，裂紋呈點(diǎn)源疲勞特征，如圖9所示。豎向裂紋疲勞源位于內(nèi)螺紋孔口內(nèi)側(cè)并沿螺母軸向擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)犁溝狀擠壓磨損痕跡及疲勞條帶（見(jiàn)圖10），且在交變載荷作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，最終與橫向裂紋交匯形成T字形裂紋。

圖9 縱向裂紋源區(qū)

圖10 縱向裂紋擴(kuò)展區(qū)

2.2 能譜檢查

采用掃描電鏡對(duì)橫向斷口區(qū)域進(jìn)行能譜檢查（見(jiàn)圖11），發(fā)現(xiàn)橫向裂紋斷口區(qū)域存在較多Cd元素（見(jiàn)圖12），且從分布區(qū)域可看出，距離內(nèi)螺紋牙底1～3mm附近的Cd元素較多，遠(yuǎn)離內(nèi)螺紋則Cd元素逐漸減少。但是，距離牙底1mm以?xún)?nèi)區(qū)域Cd元素極少。這是由于自鎖螺母表面處理方式為鍍鎘鈍化，螺母鍍鎘之后進(jìn)行3s左右的鈍化，由于鈍化時(shí)間較短，因此鈍化液沿牙底微裂紋深入基體，導(dǎo)致螺母牙底附近Cd元素消失。

圖11 橫向斷口能譜檢查線(xiàn)

圖12 橫向斷口鎘元素分布曲線(xiàn)

利用掃描電鏡對(duì)豎向斷口區(qū)域采用十字交叉法進(jìn)行能譜檢查（見(jiàn)圖13、圖14），發(fā)現(xiàn)豎向裂紋區(qū)域中心及內(nèi)螺紋牙底附近Cd元素較多，靠近橫向斷面及內(nèi)螺紋孔口處Cd元素較少（見(jiàn)圖15、圖16），特別是內(nèi)螺紋孔口處幾乎無(wú)Cd元素。

圖13 縱向裂紋豎直方向能譜檢查線(xiàn)

圖14 縱向裂紋水平方向能譜檢查線(xiàn)

圖15 縱向裂紋豎直方向Cd元素分布

圖16 縱向裂紋水平方向Cd元素分布

2.3 顯微硬度檢測(cè)

分別對(duì)打斷樣件的收口處及非收口部位，沿豎直方向由上到下直至直口與六方過(guò)渡圓半徑R處進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)。豎直方向不同距離處的顯微硬度變化曲線(xiàn)如圖17所示，其中產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)硬度為268～329HV。由圖17可看出，雖然失效試樣硬度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但豎直方向收口處顯微硬度明顯高于非收口部位。距離上端面1.5mm處及3.0mm處（六方與直口過(guò)渡過(guò)渡圓R附近）的顯微硬度明顯高于非收口部位。

圖17 顯微硬度變化曲線(xiàn)

2.4 金相組織分析

如圖18、圖19所示，螺母顯微組織為回火索氏體＋未溶鐵素體，螺紋牙側(cè)表面雖然存在脫碳現(xiàn)象，但經(jīng)檢測(cè)，該脫碳層深度符合HB 7595—2011《使用溫度不高于425℃的MJ螺紋自鎖螺母通用規(guī)范》規(guī)定的相關(guān)要求。

圖18 螺母金相組織

圖19 螺母顯微組織

3 裂紋成因分析

3.1 材質(zhì)及熱處理分析

對(duì)螺母的金相組織分析表明，材料的組織正常，無(wú)偏析現(xiàn)象，螺母金相組織為回火索氏體＋未溶鐵素體，脫碳層深度符合相關(guān)技術(shù)條件要求。同時(shí)，螺母斷口處未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)缺陷，因該批次螺母失效與產(chǎn)品的材質(zhì)及冶金質(zhì)量無(wú)直接關(guān)系。

3.2 裂紋成因分析

螺母直口處外表面存在兩處明顯橫向臺(tái)階，分別位于距螺母端面兩倍螺距及靠近直口與六方過(guò)渡圓半徑R處，顯微硬度檢測(cè)表明，收口處特別是橫向臺(tái)階處硬度明顯偏高。復(fù)查產(chǎn)品加工記錄發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象。

1）收口加工時(shí)定位銷(xiāo)高度不合適，導(dǎo)致沖床收口時(shí)模具相對(duì)于螺母收口區(qū)域擠壓高度增大至過(guò)渡圓半徑R附近。

2）模具孔口存在一定磨損（見(jiàn)圖5），定位銷(xiāo)高度不合適，磨損區(qū)域?qū)?yīng)的螺母材料受壓后六方過(guò)渡區(qū)域產(chǎn)生壓痕。在對(duì)螺母進(jìn)行收口加工時(shí)，模具磨損區(qū)域與未磨損區(qū)域的過(guò)渡處造成距螺母端面2倍螺距處產(chǎn)生橫向臺(tái)階。

3）定位銷(xiāo)高度不合適，導(dǎo)致在相同收壓量情況下距螺母孔口端面2倍螺距處收口壓力更大。

橫向裂紋斷口處存在疲勞裂紋，均呈線(xiàn)源特征和臺(tái)階形貌。裂紋萌生于內(nèi)螺紋牙底，逐漸向試樣內(nèi)部擴(kuò)展，并在試樣內(nèi)部與豎向裂紋交叉。產(chǎn)品工藝路線(xiàn)為：數(shù)控車(chē)削→攻螺紋→收口→熱處理→鍍鎘。能譜分析發(fā)現(xiàn)斷口處存在較多Cd元素，即產(chǎn)品在收口加工時(shí)因定位銷(xiāo)高度不合適承受較大應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)螺紋牙底存在微裂紋現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)電鍍加工時(shí)Cd元素沿牙底微裂紋滲入基體內(nèi)。

受定位銷(xiāo)高度影響，在相同收壓量情況下，螺母孔口處所受壓力會(huì)更大，再加上螺母孔口存在倒角，即此處基體較薄，造成因內(nèi)螺紋孔口處應(yīng)力集中而形成疲勞源。裝配試驗(yàn)螺栓時(shí)此處材料存在被脹大現(xiàn)象，隨著振動(dòng)試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行不斷承受交變載荷，導(dǎo)致螺母孔口處疲勞源產(chǎn)生豎向微裂紋。隨著振動(dòng)試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行，微裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致自鎖螺母發(fā)生疲勞斷裂失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

定位銷(xiāo)高度不合適導(dǎo)致螺母直口部位產(chǎn)生臺(tái)階，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使螺紋牙底形成裂紋源，而后經(jīng)過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)產(chǎn)生橫向疲勞裂紋。受定位銷(xiāo)高度及收口模具影響，在相同收壓量情況下，螺母孔口處收口壓力會(huì)更大，振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)因螺母孔口處形成疲勞裂紋源而萌生微裂紋，且在交變載荷作用下形成豎向裂紋。

鈍化液沿著微裂紋深入基體，導(dǎo)致螺母外表面裂紋附近Cd元素消失。因此，選用合適的定位銷(xiāo)高度，采用正確加工工藝，能夠有效地預(yù)防此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生。