不同材料螺栓高溫靜態力學性能差異性研究

李艷軍，辛軍華，陳波，付翊宸，孫鵬輝，張慧

（河南航天精工制造有限公司，河南 信陽 464000）

緊固件素有“工業之米”之稱，其制造材料主要有碳鋼、合金鋼、鈦合金、橡膠及有色金屬等。我國工業經濟進入新的增長平臺，給緊固件市場提供了巨大的發展空間，緊固件行業產品選材對于生產進度調整、成本控制極為重要。以某高鐵制動系統用螺栓為例，其產品主要采用35CrMo、40CrMoV4-6及A286三種材料進行生產制造，性能等級要求相近，通過研究這三種材料的力學性能，可以有效控制生產成本及為客戶提供不同服役條件下產品材料推薦，對軌道交通緊固件選型提供一定的參考價值。

1 實驗材料及方法

拉伸實驗是研究材料機械性能的最基本、應用最廣泛的實驗，由于實驗方法簡單，而且易于得到較為可靠的實驗數據，在工程上和實驗室中都廣泛利用拉伸實驗測取材料的機械性能。多數緊固件材料中拉伸曲線的特性，其強度和塑性指標的定義與測試方法基本相同，因此，本文通過對產品取樣制備試樣進行拉伸試驗，分析比較35CrMo、40CrMoV4-6及A286三種材料的機械力學性能，測定其服役性能，掌握其拉伸性能和破壞過程的特點，正確合理地認識和選用產品材料。

2 實驗結果與討論

將35CrMo、40CrMoV4-6與A286三種材料生產出來的產品（圖1）進行制備試樣，將拉伸試樣棒分別進行室溫、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃拉伸試樣，其試驗后均發生斷裂，如圖2所示。試樣棒斷口處直徑縮小且斷后試樣棒伸長，通過觀察試樣斷口形貌，發現斷口出現韌窩，三種材料以韌性斷裂的形式發生拉伸失效。

圖1 螺栓產品示意圖

圖2 螺栓與材料試驗后

在300℃下進行拉伸實驗，35CrMo材料螺栓抗拉強度保持在1000MPa以上。當試驗溫度大于300℃時，抗拉強度發生驟降，抗拉強度降低為880MPa，這是由于在高溫下進行拉伸實驗，隨著溫度的提高，碳原子從過飽和的α相中析出，基體組織中馬氏體發生分解，故抗拉強度在300℃后發生突變，降低其力學性能，最終在500℃溫度下35CrMo的抗拉強度降低至713MPa。

當拉伸溫度升高至400℃時，由于35CrMo中的α相具有板條狀特征，片狀碳化物沿板條界面析出，在拉伸過程中，析出的滲碳體開始聚集長大，片狀滲碳體的長寬比縮小，最終形成接近顆粒狀的滲碳體。故其應力保持率在400～500℃時發生降低，由79.7%降低至42.51%（圖3、圖4）。

圖3 35CrMo抗拉強度

圖4 35CrMo應力保持率

40CrMoV4-6材料在300℃進行拉伸時，晶界處發生了碳化物的析出和生長，降低了晶體晶界處的結合強度，為應力釋放提供裂紋源，裂紋將在晶體晶界處萌生并逐漸實現延伸，而且在高溫拉伸過程中，40CrMoV4-6還存在α相的回復過程，α相中位錯胞和胞內位錯線消失，晶體內位錯密度下降，剩余位錯發生多邊化形成亞晶粒，在高溫環境中隨著拉伸實驗的進行，亞晶粒發生些許長大，亞晶界發生移動形成大角度晶界，晶粒尺寸進一步變大，大晶粒的生成使得力學性能突降，最終在500℃溫度下40CrMoV4-6的抗拉強度降低為773MPa（圖5、圖6）。

圖5 40CrMoV4-6抗拉強度

圖6 40CrMoV4-6應力保持率

A286高溫合金組織中存在大量的位錯胞狀結構，隨著拉伸實驗溫度的升高，原子活動能力增強，原子間的結合能力減弱，導致位錯運動的阻力減小，高溫合金中的樹枝晶組織特征弱化，組織中位錯密度明善減少，位錯纏結程度降低，使得位錯的滑移更易啟動，從而抗拉強度室溫下的1054MPa逐漸降低，在500℃拉伸溫度下，抗拉強度降低至885MPa，應力保持率由99.46%降至88.35%（圖7、圖8）。

圖7 A286抗拉強度

圖8 A286應力保持率

3 結語

（1）35CrMo與40CrMoV4-6材料用于制造在工作溫度低于400℃的緊固件具有較高的靜力強度，可有效承受沖擊、高載荷，其服役在室溫至300℃區間內力學性能穩定，產品服役壽命長。

（2）A286材料用于制造服役于高溫環境下緊固件，其長時間服役于高溫環境仍具有較好的抗拉強度，大幅度貼合軌道交通領域及航空航天領域產品性能要求。