0Cr17Ni4Cu4Nb钢制螺钉断裂原因分析.pdf

０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢制螺钉断裂原因分析０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢制螺钉断裂原因分析ＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｎ０ＣｒｌＴＮｉ４Ｃｕ４ＮｂＳｃｒｅｗ胡春燕。，刘新灵，陶春虎。，何玉怀（１南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌３３００６３；２北京航空材料研究院，北京１０００９５）————ＨＵＣｈｕｎｙａｎ，ＬＩＵＸｉｎｌｉｎｇ，ＴＡＯＣｈｕｎｈｕ，ＨＥＹｕｈｕａｉ（１ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉｎｇ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＮａｎｃｈａｎｇＨａｎｇｋｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００６３，Ｃｈｉｎａ；２ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）摘要：某故障螺钉所用材料为０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ沉淀硬化型不锈钢。通过断Ｖ１宏微观观察、金相检验、硬度检测和能谱分析等实验，确定螺钉的断裂性质及断裂原因。结果表明：螺钉的失效性质为疲劳断裂；故障螺钉与疲劳实验螺钉疲劳源区附近均为准解理与沿晶特征，故障螺钉的沿晶特征较明显，应与该材料特性有关，尤其是螺纹根部在预紧力、拉应力、弯曲应力等复杂的综合应力状态下，螺钉产生沿晶特征。关键词：螺钉；０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢；疲劳断裂；沿晶特征中图分类号：Ｖ２５２．１文献标识码：Ａ—文章编号：１００１４３８１（２Ｏ１２）１２－００２１－０３—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｈａｒｄｅｎｉｎｇｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂｓｃｒｅｗｗａｓｆｒａｃｔｕｒｅｄ．Ｔｈｅｆｅａｔｕｒｅ—ａｎｄｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｓｃｒｅｗｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍｉｃｒｏａｎｄｍａｃｒｏｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｏｎｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｓ，ｍｅｔａｌｌｏ—ｇｒａｐｈｉｃｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ，ｈａｒｄｎｅｓｓｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｄｅｏｆｔｈｅｓｃｒｅｗｉｓｆａｔｉｇｕｅｆａｉｌｕｒｅ．Ｆａｉｌｕｒｅａｎｄｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇｓｃｒｅｗｈａｖｅｔｈｅｓａｍｅｆｅａｔｕｒｅｏｆ——ｑｕａｓｉｃｌｅａｖａｇｅａｎｄｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｉｎｓｏｕｒｃｅｚｏｎｅ，ａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｆｅａｔｕｒｅｉｓｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｉｎｆａｉｌｕｒｅｓｃｒｅｗ．Ｔｈｅｍａｉｎｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｆｅａｔｕｒｅｓｈｏｕｌｄｂｅｒｅｌｅｖａｎｔｔｏｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｓｔｒｅｓｓｅｓｓｕｃｈａｓｐｒｅｔｉｇｈｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅ，ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ，ｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｓｓｏｆｓｃｒｅｗｔｈｒｅａｄｒｏｏｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｃｒｅｗ；ＯＣｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂｓｔｅｅｌ；ｆａｔｉｇｕｅｆａｉｌｕｒｅ；ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｆｅａｔｕｒｅ０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ是在Ｃｒｌ７型不锈钢基础上，加人Ｃｕ、Ｎｂ等强化元素研制的一种马氏体沉淀硬化不℃锈钢，它的强度是通过马氏体相变和在４００～６５０温度范围内时效时，析出时效硬化相￡一Ｃｕ、ＮｂＣ、Ｍｚ。一—Ｃ。等碳化物而产生沉淀硬化达到的，相近牌号为１７４ＰＨ（美国）［引。由于该钢具有高强度、高韧性、高耐蚀性和高耐氧化性等综合性能被广泛用于国防工业和民用工业，可作为３７０￣Ｃ以下要求耐磨、耐蚀、高强度的结构件，例如传动装置、轴、齿轮、螺栓、垫圈、阀及泵等℃零件，还可用于４００以下工作的飞机、导弹的紧固件川］。本工作针对某故障螺钉的断Ｉ：Ｉ特征进行宏微观观察，对螺钉的硬度和金相组织进行分析。此外，对疲劳实验螺钉的断口进行宏微观观察，并将故障螺钉与疲劳实验螺钉进行分析比较，以确定故障螺钉的断裂性质及断裂原因。１实验故障螺钉所用材料为０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ沉淀硬化型℃不锈钢，螺钉的加工过程：下料一热处理（１０５０固溶，℃５５０时效）一吹砂一机加工一滚螺纹一钝化一吹干。螺钉在应用前所经的实验：基本性能测试，约３～４ｈ；４２ＭＰａ打压实验，在４２ＭＰａ下保持３ｍｉｎ；静压密封实验２４ｈ。实验之后，该螺钉装在主机上工作２ｈ之后发生断裂。螺钉在主机上所固定结构的液压为２８ＭＰａ。２实验过程与结果２．１断口宏微观观察及能谱分析螺钉断Ｅｌ宏观形貌如图１所示。螺钉断面呈灰色，分为平坦区和剪切唇区，平坦区断面光滑细密，可见较平直疲劳弧线。螺纹表面形貌如图２所示，可见２８材料工程／２０１２年１２期参考文献张爱民，权高峰．镁合金疲劳性能的研究现状及展望［Ｊ］．机械工程材料，２０１０，３４（５）：Ｉ一４．毛萍莉，李扬，刘正，等．挤压态ＡＺ３１镁合金的疲劳行为研究［Ｊ］．—特种铸造及有色合金，２０１０，３０（３）：２１３２１５．—ＴＯＫＡＪＩＫ，ＫＡＭＡＫＵＲＡＭ，ＩＳＨＩＩＺＵＭＩＹ，ｅｔａ１．ＦａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｕｒａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｒｏｌｌｅｄＡＺ３１ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙ—［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｔｉｇｕｅ，２００４，２６（１１）：１２１７１２２４．王长义，刘正．压铸态ＡＺ９１镁合金疲劳断口组织与裂纹扩展机制口］．压力铸造，２００８，２８（１）：３７３９．—ＳＯＮＧＫ．ＪＵＮＧＨＣ．ＳＨＩＮＫＳ．Ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｂｅ—ｈａｖｉｏｒｏｆＡＺ３１Ｍｇａｌｌｏｙｉｎｕｌｔｒａｈｉｇｈｖａｃｕｕｍ［Ｊ］．ＭｅｔＭａｔｅｒＩｎｔ，—２Ｏ１１，１７（３）：３９７４０２．ＩＶＦ，ＹＡＮＧＦ，ＤＵＡＮＱＱ，ｅｔａ１．Ｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｏｌｌｅｄｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙ（ＡＺ３１）ｓｈｅｅｔ：ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ—［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｔｉｇｕｅ，２０１Ｉ，３３（５）：６７２６８２．ＦＯＵＡＤＹ．ＦａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｒｏｌｌｅｄＡＺ３１ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙａｆｔｅｒｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｂｙＥＰａｎｄＢＢｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ａｌｅｘａｎｄｒｉａ—ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ。２０１１，５０（１）：２３２７．ＺＵＢＥＲＯＶＡＺ。ＫＵＮＺＬ，ＬＡＭＡＲＫＴＴ，ｅｔａ１．Ｆａｔｉｇｕｅａｎｄ——ｔｅｎｓｉｌｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃａｓｔ，ｈｏｔｒｏｌｌｅｄ，ａｎｄｓｅｖｅｒｅｌｙｐｌａｓｔｉｃａｌｌｙｄｅｆｏｒｍｅｄＡＺ３１ｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ—ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡ，２００７，３８（９）：１９３４１９４０．［９］徐玉磊，张奎，李兴刚，等．含１混合稀土压铸镁合金的高周疲劳—性能［Ｊ］．稀有金属材料与工程，２０１０，３９（９）：１５７９１５８２．［１Ｏ］杨晓明，杨帆，尹树明，等．Ｍｇ一１２Ｇｄ一３Ｙ一０．５Ｚｒ镁合金的不同疲—劳行为ＥＪ］．机械工程材料，２０１１，３５（４）：４１４５．［１１］杨友，刘勇兵，杨晓红，等．稀土元素对ＡＺ９１Ｄ压铸镁合金高周疲劳性能的影响［Ｊ］．金属热处理，２００６，３１（７）：１８２２．［１２］姜伟之，赵时熙，王春生，等．工程材料的力学性能［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２０００．２４１．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０８０１０４８）；航空科学基金资助项目（２ｏｏ７ＺＦ５４Ｏ１６）——收稿日期：２０１１１１－０７；修订日期：２０１２－０７２７作者简介：沙桂英（１９６３一），女，博士，教授，主要从事航空轻质结构材料的制备及其变形与断裂方面的研究，联系地址：沈阳航空航天大学材—料科学与工程学院（１１０１３６），Ｅｍａｉｌ：ｇｕｉｙｓｈａ＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米（上接第２３页）造成杂质元素在晶界富集与沿晶界析出脆性第二相；或因温度过高（加工温度与使用温度）使晶界弱化；或因环境介质沿晶界浸入金属基体等因素出现时，晶界的键合力被严重削弱，往往在低于正常断裂应力的情况下，被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂＿１。因此，有必要对０Ｃｒ１７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢在不同热处理工艺制度、加载方式和加载速率下的断裂特性做进一步的研究。综上所述，故障螺钉的断裂性质为疲劳断裂，沿晶特征较明显，应与该材料特性有关。尤其是螺纹根部在预紧力、拉应力、弯曲应力等复杂的综合应力状态下，导致螺钉产生沿晶特征。４结论（１）螺钉的断裂性质为疲劳断裂。（２）螺钉的金相组织及硬度符合技术要求。（３）故障螺钉的沿晶特征较明显，应与该材料特性有关。尤其是螺纹根部在预紧力、拉应力、弯曲应力等复杂的综合应力状态下，导致螺钉产生沿晶特征。参考文献［１］夏德贵．０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ马氏体沉淀硬化型不锈钢的耐海水腐蚀性能研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２００７．［２］李颇，郭李波，王小奎．沉淀硬化型不锈钢０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ的实—验研究［Ｊ］．黑龙江冶金，２００６，（３）：７９．［３］何著，赵寿根，杨嘉陵，等．０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ不锈钢动态力学性能研究［Ｊ］．材料科学与工程学报，２００７，２５（３）：４１８４２１．［４］刘光辉，郑灿舜，刘亚林．沉淀硬化型不锈钢ＯＣｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ实—验研究［Ｊ］．黑龙江冶金，２００３，（４）：１３１５．［５］刘海英．０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ钢制前吊挂断裂失效分析［Ｊ］．理化检—验一物理分册，２００３，３９（６）：３１５３１７．—［６］董翠，刘丽玉．１７４ＰＨ不锈钢拉杆失效分析［Ｊ］．失效分析与预—防，２０１０，５（３）：１８２１８６．［７］刘德林，袁洪，陶春虎．３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢螺钉断裂分析［Ｊ］．失效—分析与预防，２００９，４（３）：１７４１７６．—［８］杨晓．１７４ＰＨ不锈钢性能和组织研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２００７．［９］杨雪春．热处理对耐热马氏体不锈钢０Ｃｒｌ７Ｎｉ４Ｃｕ４Ｎｂ性能的影—响［Ｊ］．长沙大学学报，２００６，２０（５）：３２３４．［１０］张栋，钟培道，陶春虎，等．失效分析［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００８．基金项目：无损检测技术教育部重点实验室开放基金资助（ＺＤ２０１１２９０１４）———收稿日期：２０１２０１２１；修订日期：２０１２－０８１４作者简介：胡春燕（１９８３一），女，硕士，工程师，现从事金属材料失效分析及安全评估等方面的研究，联系地址：北京市８１信箱４分箱—（１０００９５），Ｅｍａｉｌ：ｆａｃｈｃｙ＠１６３．ｃｏｍ］］］］］］］］