摘 要:某303Se不锈钢高锁螺母沿轴线方向开裂,采用金相检验、硬度测试、扫描电镜分析、残 余应力测试等方法对其开裂原因进行分析,结果表明:303Se不锈钢在冷挤压过程中,其抗拉强度 升高、塑性降低,因此其径向承载能力变差,在高载荷作用下发生开裂;对产品工艺进行优化可有效 地提高不锈钢高锁螺母的径向承载能力。
关键词:303Se不锈钢;高锁螺母;装配;开裂;冷挤压
中图分类号:V262.3+3;TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)08-0061-04
303Se不锈钢高锁螺母主要由两部分组成:一 部分是工艺部分,另一部分是工作部分,其产品结构 如图1所示。工艺部分可实现安装过程中的扳拧, 工作部分可实现最终的紧固连接。安装该高锁螺母 的过程中,当施加一定的力矩时,其断径槽处会发生 断裂,工艺部分脱落,完成产品的装配[1-2]。
在对303Se不锈钢材料加工的某不锈钢高锁螺 母进行装配试验时发现:在无夹层的情况下,将该高 锁螺母拧入到螺栓上,在拧过螺纹区后,螺栓光杆部 位与高锁螺母螺纹接触(简称装配试验),当继续对 高锁螺母施加拧入力矩时,螺母的断径槽不会被拧 断,反而沿着轴线方向出现开裂,开裂高锁螺母宏观 形貌如图2所示。
笔者通过金相检验、扫描电镜(SEM)分析、显微硬度测试、残余应力测试,同时结合螺母的加工工艺对该 高锁螺母的开裂原因进行了分析,并提出了改进措施, 有效地提高了不锈钢高锁螺母的径向承载能力。
1 理化检验
1.1 金相检验
在该开裂高锁螺母上制备试样,利用光学显微 镜分别观察其环向和轴向显微组织,开裂高锁螺母 的环向 显 微 组 织 如 图 3 所 示,轴 向 显 微 组 织 如 图4所示。
由图3,4可知:几乎每个晶粒中都有大量的滑 移线,不同晶粒内的滑移线取向不同;开裂高锁螺母 材料中含有大量的夹杂物,夹杂物沿轴向拉长。
1.2 显微硬度测试
利用显微硬度计测试开裂高锁螺母收口段的环 向剖面和轴向剖面的显微硬度,在截面中心测试5 个点,结果如表1所示。
为了对比高锁螺母收口部位与法兰部位的显微 硬度,在该开裂高锁螺母的法兰部位选取轴向剖面 的5个点进行显微硬度测试,结果如表2所示。
由表1,2可知:高锁螺母收口部位的轴向剖面 显微硬度大于环向剖面显微硬度;高锁螺母收口部位的显微硬度高于法兰部位的显微硬度。
1.3 SEM 分析
用SEM 分析开裂高锁螺母的断口,高锁螺母 收口部位断口的 SEM 形貌如图5所示;远离高锁 螺母收口部位断口的SEM 形貌如图6所示。
由图5,6可知:开裂高锁螺母断口的微观形貌 均为韧窝,是典型的塑性断裂特征;韧窝沿轴向分 布;开裂高锁螺母的失效模式为塑性过载断裂,裂纹 起源于高锁螺母外壁收口点附近。
1.4 残余应力测试
选取未安装使用的高锁螺母,利用 X 射线残余 应力测试仪测试两个收口点连线中点位置的残余应 力和收口点的残余应力,测试位置如图7所示。两 个收口点连线中点位置(点1~4)的残余应力分别 为-102.7,-93.6,-182.3,-241.8MPa,收口点位 置附近的残余应力如表3所示。
由残余应力测试结果可知:高锁螺母外壁远离 收口点位置存在残余压应力;高锁螺母外壁收口点局部位置存在较高的残余拉应力。
2 开裂原因分析
2.1 材料分析
303Se不锈钢高锁螺母开裂件的晶粒中有大量 滑移线,不同晶粒内滑移线取向不同;材料中含有大 量的夹杂物,夹杂物沿轴向拉长。为了验证夹杂物 对裂纹 的 影 响,选 取 6 批 符 合 标 准 AMS5640U— 2007 Steel Corrosion Resistant, Bars, Wire, Shapes,andRorgings 18Cr-9.0NiFreeMaching 的不同炉批号的303Se不锈钢加工为高锁螺母,发 现加工的高锁螺母在装配试验过程中均出现开裂现 象,结果如表4所示。
对303Se不锈钢原材料进行金相检验,未发现 参与验证的原材料中存在夹杂物,故可以推断,装配 试验下的开裂与夹杂物无直接关系。
查 询 标 准 HST 1087—2000 Stainless Steel Tensile HighLockNut可知,302,305,303Se不锈钢 均可 以 用 于 加 工 高 锁 螺 母。选 用 5 批 符 合 标 准 AMS-QQ-S-763B—2006 Steel,Corrosion Resistant, Bars,Wire,Shapes,andRorgings 的 不 同 质 保 号 的 302不锈钢材料,按照同样工艺路线进行加工,发现 采用302不锈钢材料加工的高锁螺母在装配试验下 均未出现开裂现象,结果如表5所示。
故可以 推 断,高 锁 螺 母 在 装 配 试 验 下 发 生 开 裂与材料性质有一定的关系。为了对比303Se不 锈钢和302 不 锈 钢,采 用 直 读 光 谱 仪 对 这 两 种 材 料成形高锁螺母的化学成分进行分析,结果如表6 所示。
由 表 6 可 知:303Se 不 锈 钢 中 含 有 硒 元 素, 303Se属于易切削不锈钢[3]。
2.2 成形方式分析
为了验证成形方式对高锁螺母开裂的影响,采 用两种加工方式对产品进行研究。
2.2.1 车加工成形
查询标准 AMS5640U—2007可知,303Se不锈 钢原材料的最大抗拉强度为862MPa。为了保证高 锁螺母抗拉力的要求,采用抗拉强度为850 MPa~ 862MPa的原材料直接车加工,产品的加工路线为 备料→车加工→收口→表面处理。选取车加工的高 锁螺母 进 行 装 配 试 验 和 力 学 性 能 测 试,发 现:① 303Se不锈钢材料车加工成形的高锁螺母在装配试 验下不会开裂;② 车加工成形时,高锁螺母的最小 抗拉强度无法满足标准要求。
2.2.2 冷挤压成形
根据300系列不锈钢的冷作强化特性[4],分别 选用303Se不锈钢和302不锈钢材料进行挤压成形 加工,通过 冷 变 形 提 高 抗 拉 强 度,加 工 路 线 为:备 料→冷挤压→精加工→收口→表面处理,其中冷挤 压成形方式如图8所示。
对挤压成形的高锁螺母进行装配试验和力学性能测试,发现303Se不锈钢和302不锈钢材料经过 挤压成形加工后,其硬度有较大提升,挤压前后的硬 度如表7所示。
冷挤压成形方式加工的高锁螺母的最小抗拉强 度满足标准要求;303Se不锈钢材料冷挤压成形加 工的螺母在装配试验下有开裂现象;302不锈钢材 料冷挤压成形加工的高锁螺母在装配试验下无开裂 现象。
2.2.3 不同成形方式的对比
对车加工和冷挤压两种不同成形方式加工的高 锁螺母进行对比,可以得出以下结论。
(1)高锁螺母车加工时,抗拉强度不满足标准 要求,故该成形方式不适合。
(2)303Se不锈钢和302不锈钢材料经过冷挤 压变形后,高 锁 螺 母 的 抗 拉 强 度 增 大 且 满 足 标 准 HST1087—2000要求。
(3)高锁螺母在装配试验下开裂与产品的成形 方式及材料性能有一定的关系。
2.3 开裂原因分析
不锈钢在冷变形时其抗变形力较高,且随着所 承受的变形程度的增加而持续上升,金属的塑性随 着变形程度的增加而逐渐下降,表现出明显的硬化 现象[5-6]。开裂高锁螺母的理化检验结果说明了以 下几点。
(1)303Se不锈钢材料在冷挤压加工时,材料 抗拉强度升高,塑性降低,在高载荷作用下发生开裂 现象。
(2)装配试验中,螺纹被螺栓光杆挤压变形,对 螺母径向施加了较大载荷。
(3)残余应力测试结果表明,收口点位置存在残余拉应力,残余拉应力叠加在外加应力上,会导致 该处应力增大。
(4)螺母收口点位置是薄弱区域,有以下3个 原因:① 收口点位置在收口时经过二次变形,并发 生二次硬化,塑性继续下降;② 收口点位置相对其 他位置的壁厚较薄,在同样载荷作用下,该处的应力 较高;③ 收口点位置存在截面变化,会引起局部的 应力集中,在同样载荷作用下,该处应力相比其他位 置要高。
3 结论及建议
(1)高锁螺母在装配试验中出现开裂的原因 为:303Se不锈钢材料在冷挤压成形时,材料的抗拉 强度升高、塑性降低,在高载荷作用下发生开裂现 象,开裂高锁螺母的失效模式为塑性过载开裂。
(2)建议将高锁螺母的材料由303Se不锈钢更 换为302不锈钢,同时合理控制冷挤压变形量,可使 其抗拉强度、塑性和韧性达到要求,并有效地提高不 锈钢高锁螺母的径向承载能力。
(3)通过对高锁螺母的工艺进行改进,排除了 高锁螺母在装配试验中的开裂故障。工艺改进后, 高锁螺母的微观组织、力学性能均满足相关标准要 求,其径向承载能力得到明显提高。
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