單顆粒球狀非金屬夾雜物對螺栓性能影響

王 利

(富奧汽車零部件股份有限公司緊固件分公司，吉林 吉林 132012)

隨著汽車工業技術發展，緊固件的機械性能越來越被重視，常規的緊固件機械性能包括拉力載荷、硬度、脫碳、疲勞壽命等，其中疲勞壽命能夠直觀反應緊固件在外部載荷作用下的物理特性[1-2]。本文選取兩組單顆粒球狀非金屬夾雜物(Ds類夾雜物)水平差異較大的材料，通過相同的生產工藝加工成螺栓，在金相組織、拉力載荷、硬度相近情況下對比疲勞壽命，從而為緊固件的選材提供一定參考依據。

1 試驗材料

選取某鋼廠生產直徑φ23 mm的ML40Cr熱軋材料兩組，化學成分見表1，脫碳均控制在0.10 mm之內，表面無劃傷、裂紋等缺陷，冷頂鍛1/2無裂紋產生，組織均為熱軋態鐵素體+珠光體，無貝氏體等異常組織；兩組材料偏析不超過1級，符合標準要求。第一組材料未見明顯夾雜物，如圖1(a)所示；第二組材料檢驗發現尺寸0.05 mm×0.05 mm的Ds類非金屬夾雜物，評定達到2級，如圖1(b)所示；第二組材料復檢存在尺寸0.04 mm×0.04 mm 的Ds類非金屬夾雜物，評定級別達到2級[3]，如圖1(c)所示。

表1 ML40Cr材料化學成分(質量分數，%)

(a)第一組材料；(b)第二組材料；(c)第二組材料復檢圖1 ML40Cr材料非金屬夾雜物(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 試驗方法

緊固件的生產過程為材料球化退火→酸洗磷皂化→冷拔→冷鐓成型→螺紋加工→調質熱處理→表面處理，生產螺栓規格為M20×1.5。球化退火后的材料碳化物呈球狀分布于基體，可以改變材料冷變形工藝性能；酸洗磷皂化和冷拔后材料尺寸精度高，可用于冷鐓成各類螺栓。研究表明螺紋成型好壞對螺栓疲勞性能有較大影響，牙底滾絲折疊缺陷是導致其早期多源疲勞斷裂的主要原因，因此應避免此類缺陷的產生。螺栓通過調質熱處理可以達到要求的機械性能，調質熱處理將極大影響螺栓的最終性能，對于10.9級螺栓采用870 ℃淬火保溫80 min和510 ℃回火保溫85 min的熱處理工藝[4-5]。

將調質后的螺栓試樣進行切割和拋光，制備成金相試樣，采用4%硝酸酒精溶液對試樣進行腐蝕，利用金相顯微鏡進行金相組織觀察，參照標準JB/T 7293.3—2014進行組織評級。

采用小于25 mm/min的加載速度對螺栓施加軸向載荷，分析承載能力，并測定螺栓芯部洛氏硬度。

使用高頻疲勞試驗機進行疲勞性能分析，最大平均實驗力可達±300 N，振幅可達150 kN，設定加載軸向靜載荷為0.63×Rm，加載不同幅度軸向動載荷循環至失效斷裂或到11×106次為止。

3 試驗結果與分析

3.1 金相組織

圖2為ML40Cr螺栓的金相組織，兩組螺栓的金相組織均以回火索氏體為主。按JB/T 7293.3—2014中第二級別圖評定為3級，在規定的條件下碳化物顆?；救芙庠趭W氏體中，因此均在合格范圍內，通過控制碳勢使螺栓表面脫碳E=0.80、G=0。螺紋牙底無開裂、折疊等影響疲勞性能的缺陷[6]。

(a)第一組螺栓金相組織；(b)第二組螺栓金相組織；(c)第一組螺栓脫碳；(d)第二組螺栓脫碳圖2 ML40Cr螺栓金相組織及脫碳(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 拉力載荷及硬度

兩組螺栓拉力載荷及硬度試驗結果見表2。螺栓拉力載荷及硬度方差分析結果表明，兩組螺栓硬度和拉力載荷結果均沒有明顯差異，見表3、表4。分析認為，材料中單顆粒球狀非金屬夾雜物直徑在50 μm左右，夾雜物的有效截面積相對于M20×1.5規格的螺栓很小，對緊固件拉力載荷的影響微乎其微，因此不會對拉伸強度產生影響。另外，拉伸過程中大顆粒夾雜物的存在雖然會萌生裂紋，但隨后裂紋擴展至裂紋的空間尺寸大于夾雜物的尺寸時，夾雜物的影響也隨即消失[7]。

表2 螺栓拉力載荷及硬度試驗結果

表3 螺栓拉力載荷方差分析

表4 螺栓硬度方差分析

3.3 疲勞性能

兩組螺栓疲勞試驗結果見表5、表6。根據試驗結果采用數據分析軟件進行曲線擬合(見圖3)及疲勞壽命計算，第一組、第二組螺栓條件疲勞極限分別為39.9 MPa和31.1 MPa，在相同服役條件下第一組螺栓疲勞性能優于第二組。通常認為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源，尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物對疲勞性能影響大，而且強度越高,危害性越大[8-9]。非金屬夾雜來源于原材料、脫氧產物、熔渣、熔體各元素與爐氣等介質反應產生的氧化物和氮化物以及帶入鋼材中的耐火材料殘渣和殘留熔劑等，因此為了改善鋼鐵材料的疲勞性能，應嚴格控制緊固件用鋼的非金屬夾雜[10]。

表5 第一組螺栓疲勞數據

表6 第二組螺栓疲勞數據

(a)第一組螺栓；(b)第二組螺栓圖3 疲勞強度曲線(a)the first group of bolts；(b)the second group of boltsFig.3 Fatigue strength curve

4 結論

在相同服役條件下第一組螺栓疲勞性能優于第二組。通常認為夾雜物是鋼疲勞破壞的起源，尺寸大的脆性夾雜物和球狀不變形夾雜物對疲勞性能影響大，而且強度越高,危害性越大。

2級單顆粒球狀非金屬夾雜物不會對螺栓熱處理金相組織、硬度及拉力載荷造成顯著影響，但疲勞強度較無明顯非金屬夾雜物材料生產的螺栓降低約22%。