摘要

    對(duì)42CrMo超高強(qiáng)度鋼基螺栓的斷裂行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，包括宏觀和微觀斷裂觀察、金相測(cè)試、力學(xué)性能測(cè)試和能譜分析。結(jié)果表明:錨桿斷裂源區(qū)和基體中存在大量硫化物夾雜、帶狀?yuàn)A雜和碳虧損等組織缺陷;這些缺陷降低了材料的疲勞強(qiáng)度，容易產(chǎn)生疲勞斷裂源。此外，硫化物夾雜易使裂紋擴(kuò)展，隨著應(yīng)力的增加，螺栓的有效橫截面逐漸減小，當(dāng)應(yīng)力超過材料斷裂強(qiáng)度時(shí)，最終導(dǎo)致螺栓斷裂?；跀嗔咽袚?jù)和疲勞裂紋擴(kuò)展曲線，探討了斷裂機(jī)理。

螺栓斷裂形態(tài)介紹

    42CrMo鋼因其超高的強(qiáng)度、韌性、良好的淬透性、不明顯的回火脆性、淬火回火后較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力而被廣泛應(yīng)用于鍛件[1-3]。這種鋼基鍛件具有較高的強(qiáng)度和較大的淬火回火截面，在機(jī)車牽引用大齒輪、壓力容器后橋、重載連桿、彈簧夾等工程應(yīng)用中具有廣闊的前景。以及深井鉆桿接頭和2000米水下打撈工具。

    然而，故障的發(fā)生是不可避免的，因此，了解故障機(jī)理對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)和規(guī)避行動(dòng)具有重要作用。本研究采用宏觀觀察和微觀觀察相結(jié)合的方法，分析了螺栓斷裂源區(qū)和基體的力學(xué)行為和金相組織。此外，通過引入斷裂失效判據(jù)[4,5]，從理論上探討了裂紋擴(kuò)展的起始和方向分析，提供了一種預(yù)測(cè)方法，有助于工程應(yīng)用。

    該螺栓為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的緊固螺栓，規(guī)格型號(hào)為M30 × 435。制造過程如下:原料?壓裂材料?鍛壓毛坯?毛坯?熱處理?縱向力學(xué)性能試驗(yàn)?探傷?精加工?成品。螺栓安裝使用時(shí)，客戶在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂。

2. 測(cè)試過程及結(jié)果

2．1． 裂縫宏觀觀察

    螺栓斷裂發(fā)生在靠近螺栓端部33mm處，如圖1所示。螺栓的斷口在螺紋根部。其形態(tài)如圖2所示。在宏觀觀察下，斷口上可以看到明顯的疲勞特征。斷裂起源于螺栓的外表面。半橢圓形狀的疲勞起始區(qū)相對(duì)光滑。在延伸區(qū)域可以觀察到清晰的疲勞線。擴(kuò)展區(qū)域覆蓋了大部分裂縫，瞬時(shí)裂縫面積相對(duì)較小，形態(tài)如圖3所示。螺栓斷口表面磨損嚴(yán)重，表現(xiàn)出不同程度的腐蝕。無法觀察到斷裂形態(tài)。從斷裂形態(tài)來看，瞬時(shí)斷裂區(qū)域接近邊緣，表明螺栓過載程度較低。當(dāng)螺栓為超載斷裂時(shí)，纖維區(qū)是斷裂源的位置，且呈環(huán)形脊?fàn)畹睦w維區(qū)總是位于火山最內(nèi)層，而不是邊緣。

圖1錨桿斷裂宏觀形貌。