王 利

(富奥汽车零部件股份有限公司紧固件分公司，吉林 吉林 132012)

随着汽车工业技术发展，紧固件的机械性能越来越被重视，常规的紧固件机械性能包括拉力载荷、硬度、脱碳、疲劳寿命等，其中疲劳寿命能够直观反应紧固件在外部载荷作用下的物理特性[1-2]。本文选取两组单颗粒球状非金属夹杂物(Ds类夹杂物)水平差异较大的材料，通过相同的生产工艺加工成螺栓，在金相组织、拉力载荷、硬度相近情况下对比疲劳寿命，从而为紧固件的选材提供一定参考依据。

1 试验材料

选取某钢厂生产直径φ23 mm的ML40Cr热轧材料两组，化学成分见表1，脱碳均控制在0.10 mm之内，表面无划伤、裂纹等缺陷，冷顶锻1/2无裂纹产生，组织均为热轧态铁素体+珠光体，无贝氏体等异常组织；两组材料偏析不超过1级，符合标准要求。第一组材料未见明显夹杂物，如图1(a)所示；第二组材料检验发现尺寸0.05 mm×0.05 mm的Ds类非金属夹杂物，评定达到2级，如图1(b)所示；第二组材料复检存在尺寸0.04 mm×0.04 mm 的Ds类非金属夹杂物，评定级别达到2级[3]，如图1(c)所示。

表1 ML40Cr材料化学成分(质量分数，%)

(a)第一组材料；(b)第二组材料；(c)第二组材料复检图1 ML40Cr材料非金属夹杂物(a)the first group of material；(b)the second group of material； (c)recheck for the second group of materialFig.1 Non-metallic inclusions in ML40Cr materials

2 试验方法

紧固件的生产过程为材料球化退火→酸洗磷皂化→冷拔→冷镦成型→螺纹加工→调质热处理→表面处理，生产螺栓规格为M20×1.5。球化退火后的材料碳化物呈球状分布于基体，可以改变材料冷变形工艺性能；酸洗磷皂化和冷拔后材料尺寸精度高，可用于冷镦成各类螺栓。研究表明螺纹成型好坏对螺栓疲劳性能有较大影响，牙底滚丝折叠缺陷是导致其早期多源疲劳断裂的主要原因，因此应避免此类缺陷的产生。螺栓通过调质热处理可以达到要求的机械性能，调质热处理将极大影响螺栓的最终性能，对于10.9级螺栓采用870 ℃淬火保温80 min和510 ℃回火保温85 min的热处理工艺[4-5]。

将调质后的螺栓试样进行切割和抛光，制备成金相试样，采用4%硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，利用金相显微镜进行金相组织观察，参照标准JB/T 7293.3—2014进行组织评级。

采用小于25 mm/min的加载速度对螺栓施加轴向载荷，分析承载能力，并测定螺栓芯部洛氏硬度。

使用高频疲劳试验机进行疲劳性能分析，最大平均实验力可达±300 N，振幅可达150 kN，设定加载轴向静载荷为0.63×Rm，加载不同幅度轴向动载荷循环至失效断裂或到11×106次为止。

3 试验结果与分析

3.1 金相组织

图2为ML40Cr螺栓的金相组织，两组螺栓的金相组织均以回火索氏体为主。按JB/T 7293.3—2014中第二级别图评定为3级，在规定的条件下碳化物颗粒基本溶解在奥氏体中，因此均在合格范围内，通过控制碳势使螺栓表面脱碳E=0.80、G=0。螺纹牙底无开裂、折叠等影响疲劳性能的缺陷[6]。

(a)第一组螺栓金相组织；(b)第二组螺栓金相组织；(c)第一组螺栓脱碳；(d)第二组螺栓脱碳图2 ML40Cr螺栓金相组织及脱碳(a)Microstructure for the first group of bolts；(b)Microstructure for the second group of bolts；(c)decarburization for the first group of bolts；(d)decarburization for the secondgroup of boltsFig.2 Microstructure and decarburization of ML40Cr bolt

3.2 拉力载荷及硬度

两组螺栓拉力载荷及硬度试验结果见表2。螺栓拉力载荷及硬度方差分析结果表明，两组螺栓硬度和拉力载荷结果均没有明显差异，见表3、表4。分析认为，材料中单颗粒球状非金属夹杂物直径在50 μm左右，夹杂物的有效截面积相对于M20×1.5规格的螺栓很小，对紧固件拉力载荷的影响微乎其微，因此不会对拉伸强度产生影响。另外，拉伸过程中大颗粒夹杂物的存在虽然会萌生裂纹，但随后裂纹扩展至裂纹的空间尺寸大于夹杂物的尺寸时，夹杂物的影响也随即消失[7]。

表2 螺栓拉力载荷及硬度试验结果

表3 螺栓拉力载荷方差分析

表4 螺栓硬度方差分析

3.3 疲劳性能

两组螺栓疲劳试验结果见表5、表6。根据试验结果采用数据分析软件进行曲线拟合(见图3)及疲劳寿命计算，第一组、第二组螺栓条件疲劳极限分别为39.9 MPa和31.1 MPa，在相同服役条件下第一组螺栓疲劳性能优于第二组。通常认为夹杂物是钢疲劳破坏的起源，尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物对疲劳性能影响大，而且强度越高,危害性越大[8-9]。非金属夹杂来源于原材料、脱氧产物、熔渣、熔体各元素与炉气等介质反应产生的氧化物和氮化物以及带入钢材中的耐火材料残渣和残留熔剂等，因此为了改善钢铁材料的疲劳性能，应严格控制紧固件用钢的非金属夹杂[10]。

表5 第一组螺栓疲劳数据

表6 第二组螺栓疲劳数据

(a)第一组螺栓；(b)第二组螺栓图3 疲劳强度曲线(a)the first group of bolts；(b)the second group of boltsFig.3 Fatigue strength curve

4 结论

在相同服役条件下第一组螺栓疲劳性能优于第二组。通常认为夹杂物是钢疲劳破坏的起源，尺寸大的脆性夹杂物和球状不变形夹杂物对疲劳性能影响大，而且强度越高,危害性越大。

2级单颗粒球状非金属夹杂物不会对螺栓热处理金相组织、硬度及拉力载荷造成显著影响，但疲劳强度较无明显非金属夹杂物材料生产的螺栓降低约22%。