基于有限元數(shù)據(jù)分析10級螺母使用35鋼與40Cr鋼性能對比

楊仕杰

湖北江華機械有限公司 湖北襄陽 441000

1 序言

隨著信息技術的發(fā)展，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑。在產(chǎn)品設計階段發(fā)現(xiàn)潛在問題，經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設計方案，降低原材料成本，模擬試驗方案，減少試驗次數(shù)[1]。

在三維基礎上進行的 CAE 分析，利用現(xiàn)代計算機強大的數(shù)值計算能力所起到的“虛擬樣機”的作用，在很大程度上替代了傳統(tǒng)設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證試驗”，極大地縮短了設計周期，降低了生產(chǎn)成本[2]。

以1961年MIT實驗室的SUTHERLAND發(fā)表的一篇關于人機交互的圖形系統(tǒng)博士論文為起點，CAD/CAM 技術經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，在理論、技術、系統(tǒng)和應用等方面都有了較大的進步。楊松宇等[3]建立螺栓法蘭墊片整體的有限元模型，進行了DN500螺栓法蘭連接系統(tǒng)的緊固試驗，驗證了有限元模型的合理性。陳衛(wèi)林等[4]針對現(xiàn)有螺母噴丸工藝中的單層彈丸或多層規(guī)則彈丸模型的不足，在ABAQUS有限元分析軟件中建立了多層隨機彈丸分布模型，使用該模型研究了彈丸層數(shù)、噴丸角度和噴丸速度對螺母表面殘余應力的影響，并通過噴丸試驗對多層隨機彈丸模型進行驗證。

本文通過使用Jmatpro和NX NASTRAN分析軟件對10級螺母使用材料35鋼和40Cr鋼進行分析比對，查詢標準，并對分析結果進行說明。對實物螺母使用維氏硬度計和金相顯微鏡對硬度和金相進行檢測，將結果進行對比討論。

2 材料成分分析

35鋼和40Cr鋼螺母材料化學成分與力學性能分別見表1、表2。

表1 35鋼與40Cr鋼化學成分[5，6]（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 35鋼與40Cr鋼力學性能[5，6]

由化學成分可知，35鋼與40Cr鋼相比，各元素成分相當，35鋼C含量略低、Cr含量低于40Cr。C元素在材料組織內(nèi)部主要以形成碳化物為主，可以提高材料的強度和硬度；Cr元素能顯著提高鋼的抗氧化性能，提高鋼的淬透性，增加鋼的抗腐蝕能力，并提高鋼的強度和耐磨性，因此40Cr鋼力學性能均優(yōu)于35鋼。但35鋼作為優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的一種，其具有良好的塑性和適當?shù)膹姸龋锹菟?lián)接中常用的材料；40Cr鋼雖然在力學性能上優(yōu)于35鋼，但由于C含量的增加，其塑性韌性降低，不利于抵抗螺栓使用過程中造成的由振動引起的塑性變形[7]；另外，Cr元素資源較少，面對螺母的生產(chǎn)勢必會造成成本的上升，經(jīng)濟性低于35鋼。

3 螺母等級標準描述

按照GB/T 3098.2—2015《緊固件機械性能—螺母》規(guī)定，10級M10細牙螺紋螺母材料與螺母熱處理為碳素鋼淬火與回火[8]，化學成分極限要求見表3，且在10級螺母注釋當中所描述“為滿足力學性能要求，可能需要添加合金元素”。由此可知，螺母材料35鋼和40Cr鋼化學成分均能滿足標準要求，且對40Cr鋼中合金元素的使用并非必要條件。

表3 螺母化學成分（質(zhì)量分數(shù)）極限要求[8] （%）

4 材料性能模擬分析

使用NX NASTARN軟件對螺母使用條件進行仿真模擬分析，并使用Jmatpro軟件對螺母熱處理后的硬度和金相進行計算分析[9]。

4.1 應力應變分析

為分析討論螺母材料35鋼和40Cr鋼性能，采用有限元分析軟件NX NASTRAN分析螺母在裝配過程中所受扭矩載荷下所產(chǎn)生的應力應變。現(xiàn)將分析數(shù)據(jù)說明如下。

（1）材料模擬性能分析 材料性能參數(shù)見表4。

表4 35鋼與40Cr鋼材料性能參數(shù)

（2）邊界條件加載分析 根據(jù)螺母使用條件，螺母主要受一豎直方向60N·m扭矩力和平面支撐力，其邊界條件及載荷加載如圖1所示，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 螺母載荷加載示意

圖2 螺母網(wǎng)格劃分示意

（3）有限元分析結果 經(jīng)計算有限元分析，結果如圖3～圖8所示。有限元分析結果對比見表5。

表5 有限元分析結果對比

圖3 35鋼疲勞結果

圖5 35鋼應力結果

圖6 40Cr鋼疲勞結果

圖7 40Cr鋼應變結果

圖8 40Cr鋼應力結果

由上述分析結果可知，螺母在經(jīng)過60N·m扭矩載荷之下，35鋼和40Cr鋼之間應力應變結果相似且無明顯區(qū)別，但由于35鋼塑性優(yōu)于40Cr鋼，因此35鋼疲勞系數(shù)相比40Cr鋼數(shù)值更高，故由有限元分析數(shù)據(jù)可知，35鋼和40Cr鋼均可滿足使用要求，但35鋼相比40Cr鋼在韌性上更有優(yōu)勢，更能滿足在使用過程中的沖擊性能要求，可提高產(chǎn)品的使用壽命。

4.2 材料熱處理性能分析

采用材料性能分析軟件Jmatpro分析35鋼和40Cr鋼熱處理加熱、冷卻時晶粒大小與冷卻組織，對結果說明如下。

1）35鋼計算結果如圖9～圖12所示。

圖9 35鋼再奧氏體化晶粒大小

圖10 35鋼淬火回火組織相

圖11 35鋼淬火回火硬度

圖12 35鋼奧氏體連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖

2）40Cr鋼計算結果如圖13～圖16所示。

圖13 40Cr鋼再奧氏體化晶粒大小

圖14 40Cr鋼淬火回火組織相

圖15 40Cr鋼淬火回火硬度

圖16 40Cr鋼奧氏體連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖

計算結果表明，35鋼和40Cr鋼經(jīng)熱處理后，晶粒大小為11μm，35鋼和40Cr鋼冷卻組織均為馬氏體，但由奧氏體連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖可知，40Cr鋼中受Cr元素的影響，奧氏體連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖曲線向右移，淬透性優(yōu)于35鋼，故35鋼的冷卻組織較40Cr鋼冷卻組織會有部分鐵素體和貝氏體的混合物。但根據(jù)硬度曲線可知，可以通過控制熱處理參數(shù)來達到所要求的硬度要求。

5 實際檢測結果

綜上所述，為進一步驗證35鋼與40Cr鋼作為螺母材料使用性能上的差異，對螺母產(chǎn)品進行心部硬度和金相組織試驗驗證，結果表明，35鋼螺母與40Cr鋼螺母硬度和金相組織結果相似，均滿足需求。

（1）硬度檢測對比 按照GB/T 3098.2—2015規(guī)定，使用維氏硬度計檢測螺母心部和螺牙硬度，根據(jù)10級螺母標準要求，其硬度為295～353HV[8]，檢測結果見表6。

表6 螺母與螺牙硬度對比 （HV）

由硬度檢測結果可知，35鋼和40Cr鋼螺母均可滿足標準10級技術要求。

（2）金相檢測對比 35鋼金相檢測結果如圖17所示，40Cr鋼金相檢測結果如圖18所示。

圖17 35鋼螺母金相

圖18 40Cr鋼螺母金相

由圖17、圖18可知，35鋼和40Cr鋼螺母金相組織均為均勻分布的回火索氏體，熱處理方式為淬火、回火，螺牙邊緣無明顯貧碳缺陷，兩者均滿足實際使用要求。

6 結束語

1）35鋼和40C r鋼螺母均可滿足10級技術需求，但相比40Cr鋼，35鋼成本更低，有利于大批量生產(chǎn)。

2）經(jīng)過有限元分析，35鋼和40Cr鋼螺母應力應變相當，使用結果無差別。但35鋼相比40Cr鋼耐疲勞性能更占優(yōu)勢，有利于提高螺母使用過程中的抗沖擊性能，進而可提高其使用壽命。

3）經(jīng)實物檢測分析，35鋼和40Cr鋼螺母硬度、金相檢測結果相近，均滿足10級螺母使用要求。