40CrNiMo钢拉杆螺纹断裂失效分析_吴丽媛.pdf

2023 年3 月第2 期 大型铸锻件HEAVY CASTING AND FORGING March 2023 No.2 40CrNiMo 钢拉杆螺纹断裂失效分析吴丽媛1 张亚光2(I 东方 电气栠 团东方 电机有 限公 司，四川 德 阳618000;2.东方 电气风 电股份有 限公司，四川 德 阳618000)摘要：针对直径为135 mm 的40CrNiMo 钢拉杆螺纹疲劳拉伸断裂现象，对拉杆螺纹断裂带不 同位置取样分析断裂原因，提 出预防措施e 结果表 明，拉杆螺纹 的化学成分、力学性 能、硬度 和金相组 织均符合技术 要求；从断裂带位置发现拉杆螺纹根部处有老裂纹，螺纹根部低周疲劳循 环应力 幅高，导致局部 高应父产生疲劳断裂，并且现场安装拉杆存在偏角过大，导致产生 的弯 曲正应力接近拉杆 的屈服强度，从而使拉杆产生断裂。关键词：40CrNiMo 合金钢；螺纹断裂；螺纹紧 固件；疲劳断裂中图分类号：TG142.33 文献标志码：A Fracture Failure Analysis of 40CrNiMo Steel Pull Rod Thread Wu Liyuan,Zhang Yaguang Abstract:Aiming at the fatigue tensile fracture phenomenon of 40CrNiMo steel pull rod thread with a diameter of 135 mm,the fracture causes have been analyzed by sampling al different positions of the pull rod thread fracture zone,and preventive measures have been proposed.The results show that the chemical composition,mechanical properties,hardness and microstructures of the pull rod thread meet the technical requirements.From the location of the fault zone,it has been found that there are old cracks at the root of the thread of the pull rod,and the low cycle fatigue cycle stress amplitude at the root of the thread is high,resulting in fatigue fracture by local high strain.And the deflection angle of the on-site installation pull rod is too large,resulting in the bending normal stress closes to the yield strength of the pull rod,so that the rod is broken.Key words:40CrNiMo alloy steel;thread fracture;threaded fastener;fatigue fracture 我国高强钢拉杆的开发应用进入新时期，从巨力集团研制的090 mm 的Q460 高强钢拉杆到深圳会展中心钢结构工程展现的直径0140 mm 和0150 mm 的Q550 钢拉杆，汇集同内企业专家对高强钢拉杆的研究，开创国内建筑钢结构使用高强钢拉杆的应用，高强钢拉杆在建筑领域的应用进入高速发展阶段，桥梁钢结构对高强钢拉杆的应用越来越广I2)。对某桥铀固系统组件做疲劳试验时，拉杆出现断裂现象。拉杆的材料选用40CrNiMo 合金钢，此材料常用于制作塑性好且强度要求高的部件，具有强度高、韧度高、滓透 性良好、抗过热 性稳定等特点，氮化处理后可用于制作轴类、齿轮等有特殊性能要求 的零件1)。对于拉杆嫘纹断裂问题的分析，有断 口宏观分析、断 口微观组织分析、对材料进行理化分析等4-7)。采用文献8-9 中的应用实验与仿真，对42CrMo 转 向横拉杆进行失效分析，发现交变载荷下的疲劳断裂导致转 向横拉杆失效。文献10-ll 建立了微裂纹稳定的应力强度因子的判据理论，觥释了拉杆断裂的力学因素，提供了卸载性能的微裂纹稳定的理论设计依收稿 日期：2022-10-3 I 作者简 介：吴而媛(1992)，女，硕士，工程师，现从平交直流屯机工艺研究。据。文献12 是某高速异步 电机定子拉杆运行过程中发生断裂，使用关联激励源找寻及振动台共振验证结果，明确了拉杆失效机理。文献 13 是42CrMo 转向横拉杆发生断裂，对断裂后 的球头销进行分析检测，结果为球头销 内部存在明显的碳偏析和横向平行的内部微裂纹，此类缺陷割裂机体连续性，使得局部承载轻度降低，并引起明显的应力栠中，球头销承受冲击振动，内部微裂纹发生扩展，最终导致断裂。综上所述，针对直径为135 mm 的40CrNiMo 钢拉杆螺纹疲劳拉伸断裂现象，在拉打断裂处取样，通过化学成分分析、力学性能检测、微观组织结构分析等方法分析断裂失效原因，并提出预防改进措施。1 试验方法以试验材料为40CrNiMo,规格为0135 mm 的钢拉杆为研究对象。在锯床上用锯切法对钢拉杆断裂 门载取横 向（径 向）断 口试样，如图1 所示，由于拉杆直径大，使用锯床锯切费时，因此在锯切过程中不能使用切削液，以防切削液流到断口，影响断口形貌组织。在距离拉杆断 口端面约20 mm 处采用线切割载取化学、力学 性能样品，制备成拉伸试样、冲53 DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.02.0062023 年第2 期 大荆铸锻件击试样，拉伸试样的尺寸依据GB/T 228.1 2010 中相关 规定 实施，冲击试样 的尺寸依 据GB/T 229 2007 中相关规定实施。采用GS-1000 只读光谱仪、WDE-300 万能材料试验机、JB-300B 冲击试验机进行检测，以确定其性能是否达到标准要求。断 口分析后，在断口附近沿纵向（轴向）无过热截取金相试样，作为金相制备面，经机械打磨和抛光 后，使 用5%硝 酸 酒 精 腐 蚀 后，在 江 南MRSOOO 倒置金相显微镜下，对其显微组织等进行观察和分析，以确定显微组织等是否合格。图1 断 口取样 图Figure 1 Fracture sampling diagram 2 结果与分析2.1 宏观形貌该拉杆是实 心圆柱状，宏观形貌如图2(a)所示；裂纹起源于过渡 台阶根部轴外表面，如 图2(b)中箭头1 所示，图2(b)中箭头2 所指为 快速疲劳扩展断裂后撕裂区；断口为圆柱体横向开裂，如图2(c)所示，其中箭头处可见明显的外表面机加工痕迹。(a)宏观昭片(b)断口形貌(c)局部放大图2 拉杆本体断裂失效形貌Figure 2 Fracture failure morphology of pull rod body 从形貌上分析，拉杆外表面有螺纹。由于螺纹的牙底相当于人工裂纹，因此在交变载荷的作用力下，牙底处会首先产生裂纹源。当相邻 的裂纹向彼此扩展时，其间距会逐渐减小。如果两个裂纹的扩展面不在同一个平面，则在其交汇时，将通过剪切撕裂的形式使两个扩展面连接起来，从而 在该部位形成“台阶，如图3 中A 和B 标记部分。当相邻裂纹源距离较近时，有可能会在裂纹快速扩展之前交汇，这时形成的“台阶 往往 比较小，见图中A 标记部分。从图中还可以看出此类“台阶 均于拉杆表面螺纹牙底处连接，这也进一步证明裂纹起源于牙底部位。图3 高清下钢拉杆端 口断裂失效形貌Figure 3 Microscopic fracture failure morphology of steel pull rod end 当裂纹尺寸达到一定程度时，将会发生快速扩展。根据撕裂棱的方向可以判定发生快速扩展的部位主要有3 处，如图中C 标记部分。如果相邻 的裂纹在快速扩展 的过程 中交汇，其产生 的“台阶 往往较大，见图中B 标记部分。由此可见导致疲劳寿命不达标 的因素有很多。可进一步按照以下方面进行分析：(1)从拉杆本身质量分析。检测力学性能和化学 性能，若力学性能不达标，则是降低其疲劳寿命的原因之一；其次，其所含夹杂物或缺陷是否超标，还需进一步确定；再次，其微观组织是否异常也有待进一步分析。(2)从受力方面分析。从断 口的宏观形貌可以发现瞬断区的面积很大，这表明所受载荷较大。拉杆表面的螺纹会导致应力集 中，但仍不能排除是否因所施加载荷过大而影响了疲劳寿命。2.2 化学成分分析与力学 性能检测对不同位罢取样的试样进行化学成分分析，结果见表1 力学性能检测结果见表2,硬度性能检测结杲见表3。根据表1-表3 可以得出：(1)从表l 化学成分分析结果 中可以看出，直径0135 mm 拉杆表面和0135 mm 拉杆d/4 处的化学成分满足GB/T3077 2015 合金结构钢表1 40CrNiMo 钢拉杆化学成分（质量分数，）Table 1 Chemical properties of 40CrNiMo steel pull rods(mass fraction,%)成分cs,Mn psCr N,Cu Mo GB/T 3077 2015 10.37-0.4410.17-0.3710.50-0.8010.03 I0.03 10.60-0.90ll.25-l.65I 冬0.3 10.15-0.25 0135 mm 拉杅d/4 处0.39 0.26 0.66 0.014 0.002 0.70 1.36 0.02 0.19 0135 mm 拉杆表而I o.40 0.27 0.66 0.014 I 0.002 I o.70 1.36 0.02 0.19 54 吴丽媛：40CrNiMo 钢拉杆螺纹断裂失效分析2023 年第2 期标准；(2)从表2 力学性能检测结果 中可以看 出，0135 mm 拉杆表面和0135 mm 拉杆d/4 处满足GB/T 3098.1 2010 紧固件力学 性能 螺栓、螺钉和螺柱，10.9 级的相关规定。(3)从表3 硬度检测结果可 以得 出，直径0135 mm 拉杆表面和0135 mm 拉杆d/4 处的硬度满足GB/T 3098.1 2010 紧固件力学性能 螺呤 螺钉和螺柱，10.9 级的相关规定。表2 40CrNiMo 钢拉杆 的力学性能Table 2 Mechanical properties of 40CrNiMo steel pull rods,LIMP 卧 凡/MPa A/%Z!%I-20C KV2 IJ 气：，勹 亡;:1:三51:三1:,1:I:三：表3 40CrNiMo 钢拉杆的硬度Table 3 Hardnesses of 40CrNiMo steel pull rod 热处理状态位笆洛氏硬度HRC GB/T 3098.23 2020 凋质整体32-39 33.4、33.5、33.3 0135 mm 拉杅d/4 处调质外剧齿部33.4、33.5、32.6 32.3、32.5、32.3 33.9、33.8、34.2 0135 mm 拉杅表而调质齿顶到芯部34.7、33.8、34.6 34.7、35.1、35.0 2.3 显微组织分析及夹杂物评级在0135 mm 拉杆表面处金相取样，将未腐蚀的金相磨抛后表面在光学显微镜下放大100 倍进行夹杂物评级，依据GB/T 10561 2005 钢 中非金属夹杂物含晕的测定 进行检测，试样评定为A0.5、BO.Se、C0.5、DI.Se、DSO,表明D 类非金属夹杂物最多，如图4(a)所示。金相试样取10 mm x 10 mm 磨抛后，依据GB/T 6394 2017 金属