不锈钢杠杆螺栓断裂原因分析与改进措施.pdf
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1、张杰,等:膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用1Cr17Ni2 钢是一种有广泛用途的马氏体不锈钢,由于含有较高的铬,其耐蚀性优于 1Cr13 等Cr13 型不锈钢,该牌号具有高强度,良好的切削加工性能及冲压成形性能,在国民生产领域得到广泛应用,常用作较高耐磨性的热油泵、阀片阀门轴承、医疗器械、弹簧、紧固件及腐蚀环境下工作的承力件等机械零件,相当于美国牌号 431,德国牌号 X22CrNi17 及英国牌号 431S291-2。制动杠杆螺栓是机车制动夹钳单元的一个转动连接件,也是夹钳单元中制造工艺复杂且加工难度较高的一个关键零件,如果出现断裂将对列车行驶安全造成严重影响3-4。某型材料 1Cr17
2、Ni2,直径为 32mm 的制动杠杆螺栓在使用过程中未到检修期,就发生多起断裂事故。本文选取其中 1 件断裂螺栓进行相关分析和验证,以期找出根本原因,提高产品质量。1理化检验与结果1.1断裂螺栓外观观察制动杠杆螺栓具体断裂位置如图 1 所示。螺栓断裂位置离头部支撑面约 70 mm,离头部光杆表面淬火区约 5 mm,断裂部位直径约为32 mm,表面局部存在油污,未见明显摩损痕迹和塑性变形。在显微镜下观察断裂螺栓表面,具体形貌如图 2 所示。Aug.2023Vol.52.No.4(Sum 301)2023 年 8 月第 52 卷第 4 期(总第 301 期)云南冶金YUNNAN METALLURG
3、Y*收稿日期:2023-01-31作者简介:许永春(1982-),男,河南确山人,高级工程师,主要从事紧固件工艺及失效分析工作。不锈钢杠杆螺栓断裂原因分析与改进措施*许永春1,胡晓芬2,赵磊3,程全士1,李祥1,刘海涛1,娄起1(1.航天精工股份有限公司,天津 300304;2.北京航空航天大学,北京 100191;3.北京卫星制造厂有限公司 北京 100191)摘要:针对某型 1Cr17Ni2 不锈钢制动杠杆螺栓在服役过程中出现断裂情况,对其进行了宏观断口、微观断口、显微组织、力学性能等分析与验证。结果表明:螺栓失效模式为应力腐蚀,在服役中长期受弯曲拉应力作用,在潮湿的腐蚀环境中,造成应力腐
4、蚀断裂。螺栓经调整热处理制度避开回火脆性区后消除了回火脆性。关键词:脆性断裂;沿晶断口;应力腐蚀;回火脆性;韧性中图分类号:TG162.7文献标识码:A文章编号:1006-0308(2023)04-0097-06Cause Analysisand Improvement ApproachesonFractureof StainlessSteelLeverBoltXU Yong-chun1,HU Xiao-fen2,ZHAO Lei3,CHENG Quan-shi1,LI Xiang1,LIU Han-tao1,LOU Qi1(1.Aerospace Precision Products Co.
5、,Ltd.,Tianjing 300304,China;2.Beihang University,Beijing 100191,China;3.Beijing Spacecraft Manufacturing Co.,Ltd;Beijing 100191,China)ABSTRACT:One kind of 1Cr17Ni2 stainless steel brake lever bolt fractured in service period,the analysis and verification on itsmacroscopic fracture,microscopic fractu
6、res,microscopic structure,mechanical property and so on were carried out.Results show:theinvalid form of bolt is stress corrosion,the bolt subjected to bending tensile stress for long time in service period,and in humid corrosiveenvironments,the bolt fractured by stress corrosion.temper brittleness
7、of bolt was eliminated after adjustment of heat treatment system.KEY WORDS:brittle fracture;intergranular fracture;stress corrosion;temper brittleness;toughness97Aug.2023Vol.52.No.4(Sum 301)2023 年 8 月第 52 卷第 4 期(总第 301 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY元素CCrMnNiSiPS断裂件0.1516.020.601.910.560.0310.022标准值0.110.17
8、16.0018.00臆0.801.502.50臆0.80臆0.040臆0.030表 1化学成分分析(质量百分比)Tab.1Chemical component analysis(mass percent)%图 1螺栓断裂位置Fig.1Bolt fracture position图 2断裂螺栓表面形貌Fig.2Surface topography of broken bolt(a)断口外表面(b)腐蚀凹坑及微裂纹图 2 显示了断裂螺栓表面形貌。由图可知:断裂螺栓断口外圆表面存在腐蚀凹坑及微裂纹,微裂纹起源于表面腐蚀凹坑处,可见明显车刀纹痕迹。1.2化学成分分析在断裂部位附近取样,用电感耦合等离子
9、发射光谱仪(ICP)和碳硫分析仪进行化学成分分析,具体结果如表 1 所示。断裂螺栓主要化学成分符合 GB/T 1220-2007不锈钢棒 中 1Cr17Ni2 要求,但 Cr 元素处于标准值下限。1.3断口分析在扫描电镜下对断裂螺栓进行宏观和微观断口分析,具体分析结果如图 3 所示。图 3 显示了断裂螺栓的断口形貌。由图 3 可知:断口表面较为粗糙,断面起伏较大,边缘呈台阶状。2/5 断面呈黑灰色腐蚀形貌,其余部分呈灰色;裂纹源区位于螺栓光杆表面四周,沿晶特征明显,且存在较多的二次裂纹;扩展区呈冰糖状沿晶特征,晶界处分布有较多球状析出物;瞬断区呈沿晶特征。对表面黑色部分进行表面能谱(EDS)分
10、析,除材料成分外,还含有少量的 Cl 和S 腐蚀性元素。1.4显微组织分析对螺栓断口部位进行显微组织分析,具体分析结果如图 4 所示。98张杰,等:膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用图 4断口显微组织Fig.4Fracture microscopic structure(c)心部显微组织(d)带状偏析图 3断口形貌Fig.3Fracture morphology(a)宏观断口 1x(b)裂纹源区(c)扩展区(d)瞬断区(a)断口显微组织(b)二次裂纹许永春,等:不锈钢杠杆螺栓断裂原因分析与改进措施99Aug.2023Vol.52.No.4(Sum 301)2023 年 8 月第 52 卷第
11、4 期(总第 301 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY(a)宏观冲击断口(b)微观冲击断口图 5冲击断口形貌Fig.5Impact fracture morphology图 4 显示了断口处显微组织。由图可知:断口沿晶特征明显,存在较多的二次裂纹且末端呈分叉状。显微组织为回火索氏体+少量 啄-铁素体+碳化物,存在碳化物带状组织偏析现象;未见过热、过烧等冶金缺陷;未见对力学性能影响较大的非金属夹杂物。1.5力学性能验证在断裂制动杠杆螺栓光杆 1/2 半径处截取试样,拉伸试验方法为 GB/T 228.1-2021 金属材料拉伸试验 第 1 部分:室温试验方法 ,冲击吸收功试验方法为
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