40CrNiMoA螺杆断裂分析.pdf

第49 卷Vol.49doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2023.04.014第4期No.4金属制品MetalProducts40CrNiMoA螺杆断裂分析2023年8 月August2023张国珍，汤继刚（江苏法尔胜材料分析测试有限公司，江苏江阴2 1440 0）摘要：针对40 CrNiMoA螺杆在斜拉车间张拉工段发生断裂问题，通过化学成分检测、扫描电镜观察、金相观察、常规拉伸试验力学性能分析等对断裂原因进行了研究。结果表明：断裂螺杆的探伤、化学成分正常，螺杆断裂方式为脆性断裂,力学性能不符合标准,回火时间不够,金相组织不均匀导致螺杆发生断裂。关键词：40 CrNiMoA；脆性断裂；力学性能；金相组织；化学成分中图分类号：TG157(Jiangsu Fasten Material Analysis&Inspecting Co.,Ltd.,Jiangyin 214400,China)Abstract:Aiming at fracture problem of 40CrNiMoA screw in tension section of cable-stayed workshop,the cause of frac-ture was studied by chemical composition detection,SEM observation,microstructure observation,and mechanical propertyanalysis of conventional tensile test.Results show that flaw detection and chemical composition of fractured screw is nor-mal,screw fracture mode is brittle fracture,mechanical properties do not meet standard,and screw fracture is caused byuneven microstructure due to insufficient tempering time.Keywords:40CrNiMoA;brittle fracture;mechanical properties;microstructure;chemical composition随着紧固件行业的飞速发展，对紧固件产品质量的要求也越来越高。40 CrNiMoA钢属于高强度调质钢 ，广泛应用于航空航天、交通运输、能源动力、机械制造等各个领域，主要用来制作高强度并承受冲击或交变载荷的重要机械零部件 2 ，需要具有较好的综合力学性能。40 CrNiMoA钢中Cr元素能够降低奥氏体中铁素体和碳化物的转变速度，提高钢淬透性及回火稳定性。Ni能够有效提高钢的基体韧性，而且 NiC r 复合显著提高钢的淬透性。Mo能够进一步提高淬透性和回火稳定性。在斜拉车间张拉工段40 CrNiMoA螺杆断裂，造成批量报废，经济损失严重。笔者通过对断裂螺杆进行化学成分分析、宏观和微观检查、力学性能检测等方法，确定了螺杆的断裂性质，分析并明确了该螺杆发生断裂的原因并提出整改措施，为避免此类故障再次发生提供了可借鉴的经验。1螺杆生产工艺流程40CrNiMoA螺杆生产工艺流程：原料锻造粗加工调质（油，淬火加热温度8 50 8 7 0，保文献标识码：AAnalysis of 40CrNiMoA screw fractureZhang Guozhen,Tang Jigang2.1宏观检查40CrNiMoA螺杆在斜拉车间张拉工段发生断裂,发生断裂时的索力为3 7 0 2 kN,螺杆A断裂在螺纹处,螺杆B断裂在根部,螺杆断口宏观形貌如图1所示。螺杆A断口附近无明显的塑性变形,断裂源区及扩展前期较平坦,最后断裂区较粗糙，整个断面存在一定的高度差;螺杆B断口附近无明显的塑性变形,断裂处存在脆性裂纹,裂纹处存在明显的坡度,表面存在放射状条纹,均为非正常断口，为脆性的解理断口。2.2断口微观检查在螺杆断口裂纹源处取样,经丙酮+超声波清洗后放人JSM-6510LV扫描电镜进行观察，裂纹源表面局部区域存在明显可见的河流状解理条纹,螺杆断口微观形貌如图2 所示。解理断口的特征 3-6 温时间12 0 18 0 min+高温回火，加热温度58 0 620，保温时间18 0 2 40 min，空冷）精加工检验人库。2断裂原因分析第4期是宏观断口十分平坦，而微观形貌则是由一系列小裂面（每个晶粒的解理面）所构成。螺杆A、螺杆B张国珍，等：40 CrNiMoA螺杆断裂分析53断口裂纹处局部区域均存在明显可见的河流状形貌，由此判断断口为典型的解理断口。2345678裂纹源裂纹源012345678950(a)螺杆AFig.1Macro morphology of screw fracture(b)螺杆B图1螺杆断口宏观形貌TOm2.3化学成分在端口处取样部位按照GB/T2975钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备标准要求，用火花直读光谱仪进行检测,40 CrNiMoA螺杆化学C螺杆A0.40螺杆B0.40ASTM A 668要求0.3 7 0.442.4力学性能在断裂的螺杆上分别取样,螺杆取样示意图如图3 所示,并对试样进行力学性能检测。按照GB/T2282021金属材料室内拉伸试验方法对试样进行拉伸性能检测，断裂螺栓拉伸性能检验结果见表2。结果显示,螺杆A、螺杆B的抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率均不满足ASTMA668的要求。EHT=10.00 kVMag=-1.50.KXWO=18.mm(a)螺杆AFig.2Micro morphology of screw fracture表140 CrNiMoA螺杆化学成分Table 1Chemical composition of 40CrNiMoA screwSiMn0.260.600.250.590.17 0.371.35SignelA=SE1Date:14 Apr2006图2 螺杆断口微观形貌成分见表1,由表1可知,断裂螺杆的化学成分符合ASTMA668标准的要求。同时对断裂的螺杆A及螺杆B进行超声波探伤，均符合ASTMA388/A388M质量规范要求。w/%PS0.0160.0130.0170.0120.0400.0400.60 0.901.25 1.650.15 0.25按照GB/T2292020金属材料夏比摆锤冲击试验方法对试样进行检测，结果见表3。结果表明,螺杆A、螺杆B近断口处及远离断口处的试样冲击性能远小于ASTMA668的要求；螺杆A、螺杆B近断口处的硬度值接近标准上限且符合标准要求，远离断口处的硬度超过标准要求。冲击韧性对材料的宏观缺陷、显微组织的差异等非常敏感，故螺杆材料内部存在相当程度的显微组织差异 7.8 。硬度值10MmEHT=10.00 VMag=1.50KX(b)螺杆 BCr0.790.80WD=7mmSignalA=SE1Date:17 Apr 2006Ni1.421.40Mo0.220.2354表征了金属弹性、塑性、强度及韧性等，而且材质硬化时硬度值升高,塑性降低而脆性增大，脆性会对金属造成很大的危害，使金属在低于屈服极限时发生破坏，最终导致断裂 9-15O为了进一步确定脆断原因,进行弯曲性能测远离断口处弯曲试样金属制品试,螺栓弯曲性能检验结果见表4,结果表明,螺杆A在弯曲6 0 时发生断裂，螺杆B在轻微加载，试样表面尚未发现肉眼可见的变形时就发生了断裂，变形能力较差。判断断裂的原因可能与组织不均匀有关。近断口处远离断口处拉伸试样弯曲试样拉伸试样第49 卷近断口处金相试样冲击试样(a)螺杆AFig.3 Schematic diagram of screw sampling表2 断裂螺栓拉伸性能检验结果Table 2Tensile mechanical properties test results of fractured bolts类别抗拉强度/MPa螺杆A实测值999螺杆B实测值995ASTM A 668 要求1000表3 断裂螺栓冲击、硬度力学性能检验结果Table 3Impact and hardness mechanical properties test results of fractured bolts类别远离断口处螺杆A实测值近断口处远离断口处螺杆B实测值近断口处GB/T2292007要求表4螺栓弯曲性能检验结果Table 4TMechanical properties test results of bolt bending类别螺杆A实测值螺杆B实测值2.5金相组织为了进一步验证结论,在螺杆横向断口附近取样,并对螺杆A、螺杆B试样进行显微组织观察,如图4所示。螺杆A、螺杆B材料组织均为回火索氏体和马氏体复合组织,组织不均匀，偏析现象未能完全消除,其中含有部分铁素体、残余奥氏体,带状分布的铁金相试样/冲击试样(b)螺杆B图3 螺杆取样示意图屈服强度/MPa793800825冲击功(-2 0 )KV,/J12.510711.512119827素体和残余奥氏体将导致材料强度等力学性能降低。2.6断裂性质分析弯曲(D=3a,=180)断裂螺杆的力学性能不符合标准,且组织分布断裂不均匀,说明螺杆的断裂与材料有关，引起断裂的根断裂本原因是热处理应力，当应力超过材料的强度极限时会发生开裂。另外硬度指标偏高可能是由于回火时间不够,组织不均匀，在施加拉应力时使得螺杆容易在棱角或尺寸突变处发生开裂，螺杆断裂图如图5所示。后经现场调研,在螺杆送检的同时也对回火时间进行了检查，发现回火时间相比正常螺杆时间缩短2 0 3 0 min，系仪表检测时间出现偏差所致。延伸率/%12151513323929511.53319.5304250310（调质后）断面收缩率/%203445布氏硬度/HB2.5326309341309331308337310第4期结合分析结果，对回火时间进行校准后重新投产,未张国珍，等：40 CrNiMoA螺杆断裂分析发生断裂现象。55(a)螺杆A图4螺杆横向断口显微组织（1 0 0）Fig.4Microstructure of screw transverse fracture2020(13):2.8刘湘雯.大型双螺杆挤出机螺杆主轴断裂失效分析D.广州：华南理工大学,2 0 1 1.9李明谦，黄继庆，袁洪涛.螺杆钻具壳体断裂分析J.图5螺杆断裂图石油矿场机械,2 0 0 9(6）：4.Fig.5Fracture diagram of screw10苏权辉.双螺杆挤压机螺杆芯轴断裂的分析与对策J.设备管理与维修,2 0 2 2(0 7）:6 0-6 2.3结语11 陈昌达.40 CrNiMoA钢螺栓断裂原因分析J.理化通过螺杆A及螺杆B断口微观分析,均为非正检验：物理分册,2 0 1 1,47(9)：3.常断口,存在明显可见的河流状，为脆性解理断口，12 贾俊林，赵艳荣，刘洪波，等.40 CrNiMoA曲轴表面裂断裂主要是回火时间不充分，组织不均匀造成的。纹缺陷分析J.特钢技术,2 0 2 1,2 7（1）：3.参考文献13 徐祺昊，杨礼林，夏明，等.3 8 CrMoAlA钢传动主轴失1 A MD,A S AW,A K L,et al.Effects of a laser sur-效分析J.金属热处理，2 0 2 1,46(0 9）：2 6 8-2 7 2.face processing induced heat-affected zone on the fatigue14 马小明，肖鹏.3 8 CrMoAlA挤出机螺杆轴断裂失效分behavior of AISI 4340 steel J.Materials Science and析J.热加工工艺,2 0 1 6,45(1 0):5.Engineering:A,2008,485(1-2):500-507.15 张远.2 Cr12NiMo1W1V钢螺栓断裂原因分析J.机2 钱伟峰，曲哲，陆天明.螺杆钻具40 CrNiMoA传动轴调质力学性能研究J.设备管理与维修,2 0 2 2（0 8）：27-28.3支龙，陈红斌，袁满，等.回火温度对淬火态40 CrNiMoA钢组织与力学性能的影响J.热加工工艺,2 0 1 8,47(18):200-202.4李雪峰，王刚,潘恒沛，等.40 CrNiMoA钢台阶轴表面裂(b)螺杆 B纹产生原因分析J.物理测试,2 0 2 1,3 9（6）：5.5孙永伟，宁天信，刘军.高强度40 CrNiMoA钢制螺栓的断裂原因分析J.热加工工艺,2 0 1 8,47（1 8）：5.6王维章，周远才.40 CrNiMoA合金底座螺栓断裂分析J.航空精密制造技术,2 0 0 5（5）：4.7何莎.40 CrNiMoA的热处理工艺研究J.治金管理，械工程师,2 0 1 0(0 1)：1 42-1 43.(收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 8)作者简介张国珍1976年生，江苏法尔胜材料分析测试有限公司工程师。汤继刚1975年生，江苏法尔胜材料分析测试有限公司助理工程师。