42CrMo高強度螺栓在海洋大氣環境中的應力腐蝕開裂風險評估

(北京航天發射技術研究所，北京 100076)

高強度螺栓廣泛應用于結構的連接、緊固及密封。除了預緊拉伸載荷，螺栓在工作過程中還受到附加的軸向拉伸載荷、剪切載荷以及沖擊載荷等。螺栓屬于典型的缺口型零件，在缺口部位如螺桿根部、螺紋根部等易產生應力集中。對于在近海高熱、潮濕腐蝕環境中使用的高強度連接螺栓，當缺口部位的氫濃度達到臨界值時，在應力場的作用下，易產生應力腐蝕斷裂[1]，斷裂位置常發現于螺桿根部或第一扣螺紋處[2]。隨著螺栓材料抗拉強度的增大，尤其當抗拉強度超過1 200 MPa時，應力腐蝕敏感性急劇增加[3]。氫在應力誘導下擴散并富集到臨界值需要一段時間，因此高強度螺栓應力腐蝕裂紋(SCC)的形核與擴展不易通過常規方法進行監測。螺栓的應力腐蝕斷裂失效，可導致結構、設備等出現安全隱患，并引發重大事故[4]，因此有必要對腐蝕環境中的高強度螺栓進行應力腐蝕開裂風險分析。

高強度螺栓的應力腐蝕評估研究主要涉及：1)螺栓材料，包含材料性能、材料組織、熱處理、硬度等；2)螺栓零件工作應力，主要考慮螺栓尺寸、預緊力大小、殘余應力和應力集中情況等；3)腐蝕環境，應對工作環境中的腐蝕介質、介質濃度、環境溫度壓力等因素進行分析。不少學者基于斷裂力學通過建立材料應力腐蝕強度門檻值(KISCC)與零件的裂紋尖端應力強度(KI)的對比機制，評價零件在工作狀態的應力腐蝕風險。CHEN等[5]根據上述思路，建立了大型空間鋼結構應力腐蝕致裂風險評估機制，實現了大跨結構應力腐蝕開裂位置的有效識別。王會利等[6]通過Gerberich-Chen公式估算了高強度螺栓腐蝕裂紋擴展門檻值，并利用螺紋根部微裂紋不發生應力腐蝕擴展條件(KI≤KISCC)，給出了螺栓臨界裂紋長度。但由于理論計算獲得的KISCC受材料碳含量、腐蝕環境因子、載荷等多因素的影響，在進行安全評價時，建議采用針對性的試驗方法進行應力腐蝕門檻值測定[7]。付長安等[8]采用應力腐蝕開裂及疲勞理論，分別給出了某飛機主起落架螺栓在水和X98-1膠水中的臨界裂紋長度，并通過裂紋擴展速率(da/dt)估算了螺栓的延遲開裂時間。根據實際載荷工況，合理地選用加載預制裂紋試樣，通過模擬腐蝕環境中的加速試驗與自然大氣環境中的暴露試驗均可有效獲得所研究材料的應力腐蝕門檻值以及裂紋擴展速率[9-11]。由于螺紋根部的應力強度難以通過測試手段獲取，更多學者采用經驗公式或有限元方法進行計算分析。KUMAR等[12]通過對螺栓進行有限元仿真，給出了三種裂紋形態(開裂式、滑移式、撕裂式)下，裂紋深度比a/d(裂紋長度/螺紋大徑)和軸向拉應力對螺紋根部應力強度因子的影響。考慮螺紋軸肩、應力集中、螺紋張角以及螺紋干涉的影響，尹峰等[13]修正了具有軸肩圓柱體的應力強度因子表達式，并提出修正因子的直線方程替換方法，簡化了表達式。同時，后續研究發現，螺栓原材料制造缺陷對裂紋擴展的影響較大，表面裂紋越大，應力集中的影響效應越小[14]。方棟等[15]通過試驗測試了M56鋼制螺栓的沖擊斷裂韌度及其在加速腐蝕環境中的腐蝕斷裂韌性，并結合有限元計算分析了螺栓在預緊狀態下的螺紋根部強度，確定了螺栓在工作條件下的可靠性。對于多排連接螺栓結構，高強度螺栓的連接結構在裂紋處會產生應力集中，以及發生裂紋擴展現象，這極易導致高強度螺栓應力或螺牙應變過大，可對連接結構的可靠性產生嚴重影響[16]。

某大型活動發射平臺使用及存放地點屬于典型海洋大氣鹽霧環境，平臺鋼箱梁結構使用大量法蘭以及42CrMo高強度螺栓進行連接。高強度螺栓在鹽霧環境中受預緊載荷、工作載荷聯合作用，盡管采取了防護措施，但仍然存在應力腐蝕風險。為了確保產品使用的安全性，本工作通過在自然環境中的應力腐蝕試驗對42CrMo高強度鋼的應力腐蝕行為進行研究，同時提出采用螺栓螺紋根部應力強度因子計算模型，并建立了螺栓應力腐蝕安全性評估判據，對所使用的不同規格高強度螺栓進行應力腐蝕開裂風險評估，以期為高強度螺栓在鹽霧環境中的設計應用與應力腐蝕防護提供參考及依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為42CrMo鋼，化學成分見表1。材料屈服強度為930 MPa，熱處理至HRC 34～36后對試樣兩側面打磨至露出金屬基體。

表1 試驗材料的化學成分Tab.1 Chemical composition of test samples %

1.2 試驗方法

采用楔形張開加載(WOL)預裂紋試樣進行應力腐蝕試驗，根據GB 12445.3—1990《高強度合金楔形張開加載(WOL)預裂紋試樣應力腐蝕試驗方法》標準，試樣裂紋尖端需滿足平面應變條件，試樣尺寸如圖1所示。使用高頻疲勞試驗機對試樣進行預制疲勞裂紋，裂紋長度為2～2.5 mm。預制裂紋前，使用汽油等溶劑對機加工試樣的表面及線切割槽清洗干凈并干燥，最大疲勞載荷為10 kN；預制裂紋后對裂紋進行測量，兩側面裂紋與中心面偏離均不大于10°。

圖1 改進型WOL試樣尺寸Fig.1 Dimension of modified WOL specimen

應力腐蝕試驗在海洋大氣環境中進行，試樣置于海南萬寧試驗站近海無防護林區，試驗站大氣環境參數如表2所示，該大氣環境與螺栓產品使用的環境基本相同。

表2 萬寧試驗站大氣環境參數Tab.2 Atmospheric parameters in Wanning test station

根據拉伸試驗機對試樣載荷標定的曲線，當張口位移為0.75 mm時，試樣進入屈服階段。試樣采用M10螺栓進行加載，加載時將試樣固定在臺虎鉗上夾緊，用扳手勻速轉動螺釘加載到指定張口位移值，并通過式(1)計算不同張口位移下的初始裂紋尖端強度KI。

(1)

(2)

表3 試驗不同加載條件Tab.3 Different loading conditions in the test

試驗過程中，定期通過讀數顯微鏡對試樣進行裂紋擴展長度測量，并記錄相應試樣掛置時間。根據取得的裂紋長度和相應的時間計算應力腐蝕強度因子KI和裂紋擴展速率da/dt，當裂紋平均擴展速率小于或等于10-9m/s時，停止試驗。試驗后沿裂紋拉斷試樣并清理斷口，沿厚度方向不同位置(25%、50%、75%)測量裂紋長度，并取平均值，記為試驗終止裂紋長度。

2 試驗結果分析

圖2 不同加載強度條件下的應力腐蝕裂紋長度(測量值)Fig.2 Stress corrosion crack length under different loading strength condition(measured values)

圖3 42CrMo試樣應力腐蝕da/dt與KI的關系(Boltzmann函數擬合)Fig.3 Relationship between da/dt and KI for 42CrMo specimens (fitted by Boltzmann function)

(a)2號試樣

(b)4號試樣圖4 不同試樣裂紋分界面微觀斷口形貌Fig.4 Micro morphology in the crack interface of the specimens：(a)No.2 sample;(b)No.4 sample

3 螺栓應力腐蝕失效風險評估及討論

3.1 螺紋根部應力強度因子

根據斷裂力學原理，螺栓可視為含有環形裂紋的光滑圓柱體。螺栓在工作時主要受軸向拉應力的作用，考慮缺口處的應力集中，根據以下公式[13]，可計算螺紋根部應力強度因子KI：

(3)

(4)

在螺紋加工過程中，由于工藝控制不當可能使得螺紋根部在機械損傷下產生微裂紋，裂紋尖端存在較高的三向應力場，在鹽霧環境中易促使氫缺陷大量聚集，微裂紋的存在會極大縮短螺栓根部裂紋的孕育期。若在螺紋根部存在長度為a的微裂紋，則帶附加裂紋的螺栓根部應力強度因子KI可由下式進行計算[13]：

(5)

(6)

(7)

研究表明，依據光滑圓柱表面環形裂紋斷裂力學，采用缺口形狀系數對公式進行修正時，缺口尺寸比例范圍的適用范圍為0.01

3.2 螺栓應力腐蝕安全性判據

高強度螺栓的應力腐蝕延遲斷裂，受到使用工況、材料強度、腐蝕環境、測試結果等多種不確定因素的影響。在評價螺栓零件應力腐蝕斷裂風險的過程中引入安全系數n，則安全評價判據可由下式表達：

(8)

3.3 案例分析

以某沿海發射平臺主梁法蘭連接螺栓(M56)和塔架連接螺栓(M42、M36)為例，螺栓螺紋均按GB/T 196—2003設計，圖5所示為平臺鋼箱梁法蘭連接結構。螺栓使用42CrMo鋼，屈服強度930 MPa。在預緊力、工作載荷的作用下，M56主梁螺栓計算工作應力為354 MPa，M36和M42塔架螺栓的計算工作應力均為400 MPa。

圖5 鋼箱梁法蘭結構Fig.5 Flange structure of the steel box girder

根據式(3)和式(4)，可得到無初始裂紋條件下，以上各規格螺栓螺紋根部應力強度及使用安全評估結果，如表4所示。螺栓應力腐蝕風險評估時安全系數n取1.5，當前產品中設計使用的主要連接螺栓均不會發生應力腐蝕開裂。如圖6所示，隨著工作載荷的增加，螺紋根部應力強度線性增加，不同規格的螺栓在較低工作應力下螺紋根部的應力強度差異并不明顯。對于M56螺栓，不發生應力腐蝕的最大工作應力為685 MPa，是當前使用載荷的1.94倍。

表4 發射平臺螺栓應力腐蝕斷裂安全性評價結果Tab.4 Evaluation results of SCC risk of the bolts on the launch platform

圖6 螺紋根部應力強度KI隨螺栓工作應力的變化Fig.6 Variation of KI with the working load of bolts

在實際工程應用中，由于種種原因，如機加工、熱處理以及復雜的使用工況，螺紋根部易出現微裂紋缺陷。根據式(5)～(8)，可計算出高強度螺栓在不同工作應力下的允許裂紋長度。如圖7所示，當工作應力為400 MPa時，M24和M36螺栓不發生應力腐蝕斷裂的最大允許裂紋長度為0.96 mm和0.99 mm；當工作應力為354 MPa時，M56螺栓不發生應力腐蝕斷裂的最大允許裂紋長度為1.34 mm。高強度螺栓應力腐蝕風險隨微裂紋長度的增大而增加，當超過臨界允許裂紋長度，螺栓將出現應力腐蝕裂紋擴展乃至斷裂。在較小的軸向工作應力范圍內，含微裂紋缺陷的螺栓抗應力腐蝕開裂性能隨工作應力的增加而急劇下降。在鹽霧環境中使用高強度螺栓進行連接的結構，螺栓選型設計時應進行應力腐蝕安全性評估，通過減小螺栓有效工作應力，以降低應力腐蝕風險，同時利用服役期內定期檢修時的超聲探傷檢測，進行螺栓缺陷的識別與控制，以確保產品的使用安全性。

圖7 不同工作應力下螺紋根部最大允許裂紋長度Fig.7 Maximum allowable crack length in the thread roots under different working loads

4 結論

(2)基于斷裂力學建立了螺栓零件應力腐蝕安全性評估判據，通過評估確認了某發射平臺不同規格42CrMo高強度螺栓無應力腐蝕開裂風險，確保產品使用的安全性；

(3)高強度螺栓的應力腐蝕開裂風險隨工作應力的增加而增大；在較小的軸向工作應力范圍內，含微裂紋缺陷螺栓的抗應力腐蝕開裂性能隨工作應力的增加而急劇下降。