黄思语, 李晴朝, 唐源, 付国忠, 刘彦霆, 唐健凯, 吴昊

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计重点实验室, 成都 610213)

油路过滤器作为工程机械设备液压系统的关键部件,能够让液压油保持一定的洁净度,同时还能清除液压油中的一些杂质,减少元件磨损和机械堵塞等故障,通常过滤器由滤头和滤筒组成,而滤头和滤筒通过螺栓进行连接,过滤器在工作过程中会长期承受内压力,进而导致过滤器连接螺栓失效[1-3]。连接螺栓是机械装备上常见的一种零部件,常常会发生、变形、韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂等形式的零件失效,近年来已经不断发现过滤器连接螺栓在服役过程中发生失效的情况[4-5]。

研究人员针对各种材料的螺栓失效行为开展了相关研究。张利峰等[6]从显微组织、断口形貌等角度分析了PCrMo高强螺栓断裂的失效原因,结果表明：螺栓断口处及心部为沿晶开裂+韧窝形貌;螺栓表面经磷化处理前的酸洗工序和磷化过程会造成基体含氢量增加,螺栓在异常外力与基体氢脆内因的共同作用下,最终发生断裂。王朴等[7]通过断口分析、金相检测、成分分析、硬度分析和力学测试对断裂螺栓和同批次未使用螺栓样件进行研究,结果表明：该断裂螺栓在酸洗电镀的过程中,引入的有害氢未能得到及时、有效地去除,从而导致螺栓根部在预紧力作用下,氢向应力集中处聚集,出现了螺栓氢致延迟断裂的现象。段焱森等[8]对某风力机叶片42CrMoA高强连接螺栓进行了高频疲劳实验研究,结果表明：疲劳损伤具有多疲劳裂纹起源区特征,试样断裂是由于多源裂纹交汇后形成峰线所导致;在相同的最大应力加载下,应力振幅越高,裂纹扩展速率越大,高频疲劳寿命越低。综上,研究螺栓断裂失效的机理对于避免在生产和使用过程中因螺栓断裂而造成的不必要损失具有重要意义。

用于某防喷器油路过滤器的SCM435连接螺栓,油路过滤器在工作过程中长期承受最大35 MPa内压力,一段时间后其中一个连接螺栓发生失效断裂,剩余连接螺栓未断裂,这导致过滤器无法密封承压,防喷器无法正常工作。连接螺栓作为过滤器的重要部件,在使用过程中频繁更换对过滤器维修性、经济性以及可靠性均产生了不利影响。因此,针对失效断裂的SCM435连接螺栓,采用现代材料分析手段,通过对断裂和未断裂螺栓进行对比测试,从宏观、微观的角度分析螺栓的失效原因并提出相应建议,以期对该型防喷器油路过滤器连接螺栓的生产和使用提供一定的理论指导。

1 试验材料与方法

该过滤器连接螺栓材质为SCM435,力学性能为12.9级,规格为M20 mm×200 mm。本次试验选择断裂和未断裂的连接螺栓进行对比分析,过滤器失效螺栓连杆发生了明显的整体断裂,其断裂发生在靠近螺帽的根部位置,如图1所示。

图1 断裂和未断裂螺栓宏观形貌

在断裂螺栓断口附近和未断裂螺栓相同位置切割出横截面厚度为10 mm的金相试样和硬度试样,利用XD3OM型金相显微镜观察螺栓的金相显微组织,根据《金属材料：金属布氏硬度试验第1部分试验方法》(GB/T 230.1—2009)对硬度试样心部和表层位置进行洛氏硬度打点测试。根据《金属材料：拉伸试验第1部分室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)采用WDW-1000型万能试验机对断裂和未断裂螺栓进行拉伸试验,拉伸试样加工尺寸如图2(a)所示。根据《金属材料：夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法》(GB/T 19748—2019)利用JB30B型冲击试验机对断裂和未断裂螺栓进行冲击试验,冲击试样尺寸如图2(b)所示。利用SRL-7045SZ型体视显微镜对断裂螺栓断口宏观形貌进行分析。使用配套能谱仪的EVO MA15型扫描电镜对断裂螺栓、拉伸和冲击断口形貌以及螺栓化学成分等进行分析。

R为拉伸试样的倒角单径

2 试验结果与分析

2.1 金相组织分析

图3为断裂和未断裂连接螺栓横截面的金相组织,可以看出,断裂和未断裂连接螺栓的金相组织均为回火索氏体+铁素体。同时还可以分别观察到弥散分布的黑色点状夹杂物,且断裂螺栓的黑色点状夹杂物相比于未断裂螺栓更多,这会对SCM435连接螺栓的力学性能造成影响。

图3 断裂和未断裂螺栓横截面金相组织

2.2 化学成分分析

通过EVO MA15型扫描电镜配套的能谱仪在低倍数下多次对断裂和未断裂螺栓试样进行面扫描,得到断裂和未断裂螺栓化学成分含量如表1所示。可以看出,通过将测试结果与《合金结构钢》(GB/T 3077—2015)标准规定值对比发现,未断裂螺栓符合标准规定值,而断裂螺栓中C元素含量相比于标准要求略微偏高。

表1 断裂和未断裂螺栓化学成分Table 1 Chemical composition of broken and unbroken bolts

2.3 硬度分析

金属的硬度能较好地反映材料的组织结构和化学成分等。断裂和未断裂螺栓横截面硬度测试结果如表2所示,断裂和未断裂螺栓样洛氏硬度值均在《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)规定值要求范围内。但值得注意的是,断裂螺栓横截面的心部硬度高于表层硬度,螺栓心部形成的内应力增大,这容易对长期载荷作用下的螺栓形成不利影响[9-10]。

表2 断裂和未断裂螺栓截面洛氏硬度Table 2 Rockwell hardness of cross sections of broken and unbroken bolts

2.4 力学性能分析

通过实验得到断裂和未断裂螺栓材料的拉伸力学性能,如表3所示。由实验数据发现,断裂和未断裂螺栓的抗拉强度、伸长率和断面收缩率均在国标《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)标准规定值范围内,但断裂螺栓样的抗拉强度、伸长率和断面收缩率相比于未断裂螺栓样均有所降低,其韧性和强度变差。

表3 断裂和未断裂螺栓拉伸试验结果Table 3 Tensile test results of broken and unbroken bolts

图4为断裂螺栓拉伸试样断口扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)形貌图,在图4(a)所示的断裂螺栓拉伸断口的整体区域图中,断口呈现出杯锥状,这是韧性断裂的特征。通过图4(b)局部放大区域,可以观察到在断裂螺栓试样内部位置存在微裂纹和夹杂物,裂纹在受到拉力的作用下迅速扩展,直至试样断裂,而同样夹杂物的存在也会造成局部内应力集中的现象,在受到外力作用下,断裂螺栓内部导致缺陷出现。另外,断口以放射区为主,存在明显的放射棱,具有脆性断口特征,因此整个断裂螺栓拉伸断裂形式为韧性和脆性断裂的混合方式[11-12]。

图4 断裂螺栓拉伸试样断口SEM图

表4为断裂和未断裂螺栓在-20 ℃温度下的冲击功,断裂螺栓试样的冲击功为47 J,未断裂螺栓试样的冲击功为51 J,断裂和未断裂螺栓试样的冲击功均符合国标《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)规定。相较于未断裂螺栓试样的冲击功,断裂螺栓试样的冲击功有所降低。图5为断裂螺栓冲击试样断口SEM形貌。从图5(a)可以看出,缺口冲击试样的断口存在3个区域,即纤维区、放射区和剪切唇区,3个区域的相对比例和分布能在一定程度上决定材料的塑性,断口中纤维区占据主要的面积,表现出韧性冲击断口特征[13]。从图5(b)中可以看出,断口内部存在裂纹和夹杂物,而裂纹和夹渣物的存在会降低材料的力学性能,这可能是导致断裂螺栓材料的拉伸冲击功出现降低的原因之一。

表4 断裂和未断裂螺栓冲击试验结果Table 4 Impact test results of broken and unbroken bolts

图5 断裂螺栓冲击试样断口SEM图

2.5 断裂螺栓断口分析

图6为断裂螺栓的断口宏观形貌。从图6(a)中可以看出,断裂螺栓的断裂断口出现不同角度断面,一侧断面与螺栓横截面呈水平,另一侧断面与螺栓横截面呈斜45°,这两个断口方向是螺栓断裂扩展的方向。

图6 断裂螺栓断口宏观形貌域

螺栓的断裂是起源于螺栓的中心位置的,中心断裂源区域宏观上表现为弥散分布的大小不一的凹凸窝坑和纤维状,如图6(b)所示,是宏观塑性断裂的特征,随着螺栓在服役过程中受到周期性应力的作用,断裂区域向四周开始扩展,在断裂扩展区域无明显的塑性变形,呈现出平整光滑的脆性断口特征[14]。

图7为断裂螺栓断口SEM图。由图7(a)所示的断裂螺栓断口的断裂源区微观形貌图中可知,在断裂螺栓断口中心位置存在韧窝和撕裂棱,这是典型的韧性断裂特征,而在断裂源区中还观察到夹杂物的存在,由此可以推断,材料在制造过程中存在夹杂物等影响了材料的力学性能,螺栓在外力作用下,首先会在该位置处引起材料内部应力集中等,当超过材料的屈服强度后,就会萌生裂纹并进一步扩展。图7(b)为断裂螺栓断口的断裂扩展区微观形貌,可以看出,局部微观放大形貌为解理台阶和河流花样状,是典型的脆性断裂形貌特征,这也表明了断裂螺栓的断裂形式由断裂源区域的韧性断裂转变为断裂扩展区域的脆性断裂,并且该断裂扩展区域的面积超过螺栓整个断面的1/2,在整个螺栓断裂过程中起到主导作用。图7(c)和图7(d)为断裂螺栓断口的瞬断区形貌,可以看出,在扩散断口的边缘位置存在剪切唇,这是整个螺栓断裂的结束位置,由于螺栓试样的尺寸较大,在电镜下无法完整观察其全貌,结合整个断口的体视宏观形貌观察可以知道,剪切唇区域占据了整个螺栓断口的很大面积,这进一步表明断裂螺栓材料的韧性不足。通过前面对断裂螺栓洛氏硬度的测试,螺栓的中心位置向边缘位置方向硬度呈现下降趋势,这使得在长期的周期载荷下,螺栓中心位置产生内应力,又由于内部有夹杂物的存在,当载荷达到一定程度时就会引起裂纹的产生和扩展,最终螺栓发生断裂[15]。

结合前面的分析,确定了螺栓材料内部存在夹杂物,为了研究螺栓材料内部夹杂物的成分,对其夹杂物进行点扫描,其结果如图8所示。可以看出,该夹杂物中碳占据主要成分,由此可以判断该夹杂物为碳化物,碳化物作为脆性相,在断裂扩展区域的大量存在,使得螺栓断裂在断裂扩展区域以脆性断裂的形式发展。

图8 断裂螺栓断口夹杂物SEM点扫描结果

3 结论

某防喷器油路过滤器连接螺栓在服役过程中,螺栓从根部出现断裂,从而造成油路过滤器无法进行有效密封承压,针对断裂和未断裂螺栓的对比分析,探究断裂螺栓的失效原因,得出如下结论。

(1)断裂螺栓组织为回火索氏体和铁素体,内部存在夹杂物,含碳量高于《合金结构钢》(GB/T 3077—2015)规定要求,硬度符合《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》(GB/T 3098.1—2010)规定,但心部硬度大于表层硬度,内部应力较高。由于断裂螺栓内部存在的夹杂物和裂纹,降低了材料的韧塑性,断裂螺栓拉伸强度和冲击功相比于未断裂螺栓均有所降低。

(2)断裂螺栓断口存在平行和斜45°的两个断面,表现为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂形式,断裂源起源于内部,螺栓内部的碳化物等脆性相的不均匀分布,使得螺栓在持续载荷下,螺栓内部应力集中并产生裂纹,随着裂纹的扩展螺栓发生断裂。

(3)建议严格把控螺栓零件生产的原材料,尽量减少螺栓中夹杂物的出现;优化热处理工艺,进一步消除内应力,提高材料均匀性,控制硬度和强度等性能指标在合理范围内;螺栓在安装时避免人为的损伤并按照制造厂商要求准确施加预紧力。