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摘要：某阀门法兰35CrMo钢连接螺栓在使用过程中发生断裂。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪等手段对发生断裂螺栓的断口宏观形貌、横纵截面组织、微区成分进行分析。结果表明：螺栓断口为较明显的疲劳断裂，夹杂物为疲劳裂纹源；金相组织中存在大量大尺寸长条状MnS夹杂物（最大长度超过100μm），以及较多的TiN和Al2O3-CaO等脆性夹杂物。夹杂物的形貌和尺寸对钢的性能影响显著，文章从钢液成分、连铸和轧制工艺及热处理等方面进行分析控制。
关键词：35CrMo钢；高强螺栓；疲劳断裂；夹杂物
螺栓作为常用的紧固件被广泛应用于法兰等零部件的连接，根据安全生产需求，螺栓通常都被要求零缺陷。某阀门法兰连接用高强螺栓在服役过程中发生断裂失效，该螺栓所用材料牌号为35CrMo。通过开展失效断口观察及断口截面金相分析，明确了裂纹源，分析影响材料性能的组织薄弱因素，得出螺栓断裂失效的原因，并总结了改进建议。
1失效螺栓断口观察
将螺栓断口面进行保护后，通过线切割的方法从样品取下断口试样，并放置于酒精内进行超声波清洗。将断口置于扫描电镜下进行形貌观察，如图1所示。由图1可以看出，螺栓断口表面有轻微锈蚀，断口形貌可发现较明显的河流状花样以及裂纹源（区域1），对裂纹源处局部放大，发现裂纹源为凹坑状，疑似夹杂物剥落形成；在扩展区（区域2）发现了大量的夹杂物颗粒和二次裂纹，夹杂物尺寸约5~20μm。
2失效螺栓组织和成分分析
因断口表面锈蚀，无法利用能谱仪确定夹杂物成分，需进一步分析组织和成分。将线切割、磨抛后的试样放置在4%硝酸酒精溶液中腐蚀5s，制备得到组织试样。
2.1纵截面组织和成分分析
利用金相显微镜对制备后的纵截面金相试样进行观察，如图2所示。由图2可以看出，试样组织为回火索氏体+铁素体，在组织中发现了大量灰色长条状组织，方向平行于螺栓轴向，以及大量夹杂物颗粒，多呈球形和多边形。
进一步在扫描电子显微镜下，对典型夹杂物进行分析，如图3所示。图中筛选3种典型夹杂物，结合能谱分析得出：区域1夹杂物成分主要为Al、O、Ca元素，推测为Al2O3-CaO夹杂物，多呈球形，尺寸为8~20μm；区域2夹杂物成分为Ti、N元素，为典型的TiN夹杂物，呈多边形或不规则形，尺寸为5~15μm；区域3灰色长条状组织成分为Mn、S元素，为典型的MnS夹杂物，尺寸多为20μm以上，最大超过100μm。
2.2横截面组织和成分分析
为了比较螺栓横纵截面组织是否存在差异性，进一步对横截面金相试样进行观察，如图4所示。由图4可以看出，试样组织中依旧发现大量夹杂物颗粒，与纵截面不同，横截面组织中并未发现明显的长条状组织。
进一步在扫描电子显微镜下观察分析，如图5所示，图中未发现明显的长条状夹杂物，与金相组织观察结果一致。从图5中筛选了2种典型夹杂物，结合能谱分析得出：区域1夹杂物成分主要为Al、O、Ca元素，推测为Al2O3-CaO夹杂物，多呈球形，尺寸为8~20μm；区域2夹杂物成分为Ti、N元素，为典型的TiN夹杂物，呈多边形或不规则形，尺寸为5~15μm。此外，在组织中还发现了大量夹杂物脱落后造成的坑点。
3分析与讨论
从断口形貌中可以发现明显的裂纹源，裂纹源处为凹坑状，疑似夹杂物剥落形成，初步判断螺栓断裂失效与夹杂物有关，断裂形式为由夹杂物（裂纹源）引起的疲劳断裂。大量研究也表明，金属材料中非金属夹杂物极易引发疲劳裂纹的萌生，对材料疲劳性能具有重要影响［1-3］。
通过对螺栓横纵截面组织分析，发现存在大量Al2O3-CaO夹杂物（多呈球形，尺寸为8~20μm）和TiN夹杂物（呈多边形或不规则形，尺寸为5~15μm），Al2O3-CaO和TiN为典型的脆性夹杂物，极易引发疲劳裂纹的萌生；此外，还发现了大尺寸长条状MnS夹杂物，该夹杂物硬度较低，弹性模量、热膨胀系数、塑性、热物性等物理性能与基体匹配较好，为塑性夹杂物。
文章研究表明，不同夹杂物类型对于钢材寿命的影响是不同的，一般来说TiN类＞CaS类＞高Al2O3＞尖晶石类夹杂物［4］。Atkinson［5］认为硬且脆的夹杂物是危害最大的夹杂物（如TiN和Al2O3-CaO），而MnS夹杂物的有害程度最低。然而，本研究对象螺栓纵截面组织中的MnS夹杂物为长条状，尺寸多为20μm以上，最大超过100μm。这是因为MnS为典型的塑性非金属夹杂物，具有良好的变形性能，轧制后易沿轧制方向延展成大尺寸长条状夹杂。这种大尺寸长条状夹杂物为螺栓组织薄弱环节，可被看作为潜在裂纹，极易加速裂纹扩展，危害较大。
因此，建议从钢液成分、连铸和轧制工艺及热处理［6］等方面，减少钢液中S含量，控制MnS夹杂物成小尺寸弥散分布的球形或纺锤型［7］，同时减少Al2O3-CaO和TiN等脆性夹杂物的大小和数量［3］。
4结论
（1）螺栓为典型的疲劳断裂，裂纹源处为“凹坑”状，为夹杂物剥落形成，其断裂失效与夹杂物有关。
（2）组织分析发现，存在大量较大尺寸Al2O3-CaO夹杂物和不规则形TiN夹杂物，该脆性夹杂物极易引发疲劳裂纹的萌生；组织中还存在大量长条状MnS夹杂物，尺寸多为20μm以上，最大超过100μm，该大尺寸长条状夹杂物可被看作为“潜在裂纹”，危害较大。
（3）建议从钢液成分、连铸和轧制工艺及热处理等方面，对夹杂物数量、大小和形状加以控制。
参考文献
［1］王志远，邢志国，王海斗，等.非金属夹杂物特性对钢铁材料疲劳性能影响的研究进展［J］.材料工程，2020，48（5）：1-12.
［2］Krewerth D，Lippmann T，Weidner A，et al.Influence of non-metallic inclusions on fatigue life in the very high cycle fatigue regime［J］.International Journal of Fatigue，2016（84）：40-52.
［3］李守新，翁宇庆，惠卫军，等.高强度钢超高周疲劳性能：非金属夹杂物的影响［M］.北京：冶金工业出版社，2010.
［4］王乐.轴承钢夹杂物控制及精炼新工艺的研究［D］.北京：钢铁研究总院，2018.
［5］Atkinson H，Shi G.Characterization of inclusions in clean steels：a review including the statistics of extremes methods［J］.Progress in Materials Science，2003，48（5）：457-520.
［6］张雪良.热处理和轧制过程不锈钢中夹杂物演变行为研究［D］.北京：北京科技大学，2020.
［7］张学伟.重轨钢中MnS夹杂物形貌分析与控制研究［D］.北京：北京科技大学，2017.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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阀门法兰连接螺栓断裂失效分析论文
人参与 2024-11-06 11:20:33 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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