緊固件成形工藝原因造成的缺陷
緊固件在加工制造過程中,由于設(shè)計(jì)不合理,選材、加工工藝、熱處理和表面處理工藝不當(dāng),都會(huì)造成緊固件的質(zhì)量不好,產(chǎn)生表面或內(nèi)部缺陷。下面分別就緊固件由于成形、熱處理和表面處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致的缺陷進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
成形工藝不當(dāng)造成的工藝缺陷種類較多,例如,成形工藝不當(dāng)所致粗晶或晶粒不均勻,成形工藝不當(dāng)所致螺紋流線分布不順或穿流,螺紋滾壓工藝不當(dāng)造成缺陷,加工藝不當(dāng)造成的缺陷,成形工藝不當(dāng)導(dǎo)致裂紋。。
成形工藝不當(dāng)所致粗晶或晶粒不均勻
緊固件繳制成形頭部時(shí),頭部變形量大小應(yīng)不在臨界變形區(qū)內(nèi),如果緊固件繳制成形的變形比不當(dāng),變形量大小正好在臨界變形區(qū)內(nèi),經(jīng)熱處理后,頭部變形晶粒就會(huì)長大由于緊固件桿部未變形,桿部晶粒不長大,造成頭、桿處晶粒不均勻。導(dǎo)致形成晶粒大不均勻的另外一個(gè)原因是緊固件各處的變形不均勻使得晶粒破碎程度不一致,或合金局部加工硬化所致。
鈦合金組織對(duì)變形程度的影響非常明顯,如鈦合金螺栓墩制頭部后,在頭部和桿部將出現(xiàn)不同的組織特征。下圖給出了BT16鈦合金小扁圓頭螺栓成品件頭部和桿部的組織差異。螺栓頭部顯微組織為雙態(tài)組織, a相呈細(xì)顆粒狀,見圖下圖b,桿部顯微組織為雙態(tài)組織,α相呈細(xì)針狀,見圖下圖c。
耐熱鋼和高溫合金對(duì)晶粒不均勻特別敏感,使得螺栓的持久性能和疲勞性能顯著降低,螺栓在裝配或工作應(yīng)力的作用下,裂紋在粗細(xì)晶粒交界處產(chǎn)生并擴(kuò)展。裂紋在螺栓頭桿部粗細(xì)晶粒交界處產(chǎn)生并擴(kuò)展特征見下圖。
成形工藝不當(dāng)還會(huì)導(dǎo)致粗大晶粒。通常是由于始鍛溫度過高或變形不足或終鍛溫度過高或變形量落入臨界變形區(qū)引起的。鋁合金變形過大形成織構(gòu)或高溫合金變形溫度過低形成混合變形組織時(shí)也可能引起粗大晶粒。粗大晶粒將降低緊固件的塑性和韌性,也使得疲勞性能顯著降低。
成形工藝不當(dāng)所致流線分布不順或穿流
緊固件制造工藝要求越來越高,高強(qiáng)度螺栓(釘)已不采用車削加工,多數(shù)采用冷敏、熱敏成形頭部,以提高螺栓的連接強(qiáng)度。螺紋采用滾壓,并要求螺栓頭部與桿部的金屬流線沿頭部外形連續(xù)分布。只有合格的金屬流線,才能提高緊固件的疲勞強(qiáng)度。
成形工藝不當(dāng),造成緊固件頭部金屬流線不合格,下圖給出了螺栓頭部金屬流線沒有沿螺栓頭部外形分布特征。
流線分布不順主要是指流線切斷、回流、渦流等流線紊亂現(xiàn)象,主要是由于鍛造模具設(shè)計(jì)不當(dāng)、鍛造方法選擇不合理或人工操作不當(dāng)而使金屬產(chǎn)生不均勻流動(dòng)等。不合格的金屬流線造成緊固件包括疲勞強(qiáng)度在內(nèi)的多項(xiàng)力學(xué)性能降低。
穿流也是流線分布不當(dāng)?shù)囊环N形式,是由于原先形成一定角度分布的流線匯合在一起形成。它產(chǎn)生的原因是由兩股金屬或一股金屬帶著另一股金屬匯流而成的,但與折疊不同,穿流部分的金屬是一個(gè)整體。
螺紋滾壓工藝不當(dāng)造成的缺陷
緊固件制造工藝要求越來越高,對(duì)于尺寸較小的螺紋較多的采用搓絲工藝,尺寸較大的螺紋則一般采用滾壓工藝或者直接進(jìn)行滾制成形,特別是對(duì)于表面完整性要求較高的材料,如鈦合金等。已有的研究表明,螺紋滾壓強(qiáng)化是提高螺紋類緊固件疲勞壽命最有效的辦法之一。
緊固件搓絲或滾壓經(jīng)常導(dǎo)致的缺陷有:折疊裂紋、根部微裂紋、螺紋內(nèi)部孔洞以及局部破碎
由于工藝參數(shù)選擇不當(dāng),或材質(zhì)不良,或潤滑不當(dāng),在搓絲與滾絲過程中螺紋表面易產(chǎn)生細(xì)小折疊裂紋。因此,在進(jìn)行螺紋滾壓參數(shù)選擇時(shí),應(yīng)根據(jù)螺紋的絲距、材料、硬度等各種數(shù)據(jù)選定一定的范圍,并通過試驗(yàn)確定最終的工藝參數(shù)范圍。下圖為某鈦合金螺栓螺紋表面由于工藝不當(dāng)導(dǎo)致的折疊裂紋。
滾壓導(dǎo)致的根部微裂紋一般出現(xiàn)在螺栓頭與螺桿R圓角過渡處,該處由于R尺寸的影響,對(duì)于滾壓工藝控制和表面質(zhì)量控制帶來了一定的困難。某BT16鈦合金蝶栓在進(jìn)行裝配過程中出現(xiàn)低應(yīng)力斷裂。分析發(fā)現(xiàn),在故障螺栓頭和螺桿R圓角過渡處,經(jīng)過滾壓的表面完整性較差,存在大量的周向線狀微裂紋,見圖下圖。
折疊裂紋一般具有如下的特征:
(1)折疊裂紋在每個(gè)螺紋的位置與形態(tài)大致相同;
(2)折疊裂口處比較圓滑,裂口較寬,兩側(cè)無冶金缺陷;
(3)折疊裂紋走向與螺紋表面呈一定的夾角,并與流線方向有關(guān)。
搓絲或滾壓導(dǎo)致的螺紋根部裂紋,則主要是由于材料過硬或過軟導(dǎo)致選擇的工藝參數(shù)不當(dāng)所致。由于裂紋位于螺紋的根部,應(yīng)力集中嚴(yán)重,很容易導(dǎo)致在使用過程中微裂紋的擴(kuò)展并最終造成緊固件的早期失效,危害較大。材料過硬和過軟容易導(dǎo)致根部微裂紋的原因是:材料過硬時(shí),螺紋根部容易產(chǎn)生冷作硬化;材料過軟一般與組織因素有關(guān),如表層鐵素體,也容易產(chǎn)生根部微裂紋。
孔洞是緊固件搓絲和滾壓中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的缺陷?？锥搭愋桶ㄖ行拈_口孔洞、中心表面孔洞和中心封閉孔洞。
有關(guān)研究表明對(duì)滾壓工藝和滾絲毛坯直徑對(duì)孔洞缺陷形成的影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。研究人員采用不同滾絲毛坯直徑、滾絲壓力和速率進(jìn)行工藝試驗(yàn)。按直徑分為3組,每組40件,兩種工藝各20件,分組試驗(yàn)結(jié)果如下:
(1)正常毛坯直徑
采用正常的滾絲毛坯直徑,經(jīng)正常滾絲壓力和速度、加大滾絲壓力和速度兩種工藝的試驗(yàn)結(jié)果見下表:
(2)毛坯直徑加大0.02~0.04mm
試驗(yàn)件毛坯直徑加大0.02~0.04mm ,經(jīng)正常滾絲壓力和速度、加大滾絲壓力和速度兩種工藝的試驗(yàn)結(jié)果見下表:
由研究結(jié)果可以得出,實(shí)際工程應(yīng)用中,造成孔洞缺陷的主要原因是由于螺栓、螺釘滾螺紋的毛坯尺寸超差,毛坯尺寸超大,造成搓絲和滾壓應(yīng)力增大,在大滾壓應(yīng)力的作用下。螺栓、螺釘?shù)穆菁y端中心出現(xiàn)開口孔洞;如果螺栓、螺釘材料塑性好,孔洞不開口,在螺栓、蝶釘?shù)膬?nèi)部形成中心封閉孔
滾絲輪為一對(duì)等速旋轉(zhuǎn)的剛體,兩者間距為螺紋底徑,滾絲毛坯直徑約為螺紋中徑(大于滾絲輪間距),這樣,止動(dòng)銷在滾絲中必然受到一對(duì)大小相等,方向相反的集中壓應(yīng)力而變形,隨著滾絲輪旋轉(zhuǎn)而形成螺紋。滾絲毛坯在一對(duì)集中壓應(yīng)力的作用下,其中心面的應(yīng)力值最大,滾絲毛坯直徑的大小是直接影響應(yīng)力和變形的關(guān)鍵。滾絲毛坯直徑越大,則受到的壓應(yīng)力就越大,變形也就越大。當(dāng)這種變形大于材料的塑性指標(biāo)時(shí),必然產(chǎn)生破壞開裂。變形與破壞的方向要隨著滾絲旋轉(zhuǎn)不斷地改變,形成軸心的放射狀裂紋,在零件完成滾絲工序脫離滾絲輪時(shí),由于冷變形的殘余應(yīng)力,回彈開裂成為孔洞。
螺釘經(jīng)滾壓導(dǎo)致螺紋端剖面中心開口孔洞見圖5-16;螺釘螺紋端表面中心不規(guī)則孔洞洞見圖5-17;材料塑性好的螺釘出現(xiàn)的內(nèi)部中心封閉孔洞見圖5-18。
螺紋在搓絲或滾壓過程中還有一類由于原材料缺陷導(dǎo)致的局部“破碎”缺陷。這一類缺陷的產(chǎn)生主要是由于原材料內(nèi)部存在較為嚴(yán)重的夾雜物或殘余縮孔所致。
加工工藝不當(dāng)造成的缺陷
自鎖螺母收口尺寸大,在收口應(yīng)力的作用下,收口端處容易產(chǎn)生微裂紋,受裝配或使用應(yīng)力的作用,微裂紋擴(kuò)展成宏觀裂紋,收口端裂紋的產(chǎn)生,可能與收口所致應(yīng)力過大有關(guān),也存在由于材質(zhì)局部粗晶或熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致殘余應(yīng)力過大導(dǎo)致的收口裂紋。某高溫合金自鎖螺母收口端裂紋見下圖。
自鎖螺母收口處出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象較為常見,除收口所致應(yīng)力較大外,很多情況下上材料的塑性不良有關(guān),這是由于收口裂紋實(shí)質(zhì)上是收口的塑性變形量超過了材料所自受的變形能力。如某型高溫合金自鎖螺母收口處多次出現(xiàn)裂紋,其原因是收口在時(shí)效強(qiáng)化后進(jìn)行,此時(shí)由于時(shí)效強(qiáng)化導(dǎo)致材料強(qiáng)度高而塑性低產(chǎn)生開裂。后改為先收口后進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化,這一裂紋現(xiàn)象得以解決。
成形工藝不當(dāng)導(dǎo)致裂紋或過燒缺陷
螺栓(釘)、螺母等緊固件采用鍛造或熱時(shí),如果墩鍛溫度不當(dāng),如墩鍛加熱溫度低,容易產(chǎn)生裂紋,鍛鍛溫度高容易產(chǎn)生過燒。當(dāng)鍛鍛溫度較低時(shí),裂紋一般出現(xiàn)在變形量大或者應(yīng)力最大厚度最薄的地方。這主要是由于這類裂紋通常是由于墩鍛時(shí)形成的較大拉應(yīng)力、切應(yīng)力或附加拉應(yīng)力引起的。冷鎖變形量過大也將產(chǎn)生裂紋。例如, 30CrMnSiA十字槽扁圓頭螺釘在裝配過程中螺釘從頭部斷裂,見下圖,失效分析結(jié)果表明,螺釘冷墩十字槽偏深導(dǎo)致在十字槽根部產(chǎn)生微裂紋并且對(duì)螺釘?shù)膹?qiáng)度有一定影響是螺釘?shù)纛^的根部因。
鍛鍛工藝不當(dāng)或毛坯表面存在未清理干凈的氧化皮也同樣會(huì)導(dǎo)致折疊裂紋。這類折疊裂紋當(dāng)經(jīng)過高溫后,對(duì)于鋼來說,一般裂紋兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)脫碳的現(xiàn)象,而對(duì)于鈦合金來說則會(huì)出現(xiàn)富氧a層。圖5-21給出了30CrMnSi螺栓頭熱鍛成形導(dǎo)致的折疊裂紋及裂紋兩側(cè)的脫碳形貌。
墩鍛加熱溫度過高,局部易產(chǎn)生過熱,過熱時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料晶粒粗大,嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生過亮。過熱是指金屬材料由于加熱溫度過高,或在規(guī)定的鍛造與熱處理溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間過長,或由于熱效應(yīng)使溫度過高引起的晶粒粗大現(xiàn)象。過燒是指加熱溫度過高或在高溫加熱區(qū)停留時(shí)間過長,導(dǎo)致材料內(nèi)部低熔點(diǎn)物質(zhì)熔化,或環(huán)境中的氧化性氣體滲透到晶界,形成易熔的氧化物共晶體。過燒時(shí)局部晶界燒熔,并沿晶界出現(xiàn)小孔洞。過熱和過燒沒有"格的溫度界限,一般以晶粒出現(xiàn)氧化或低熔點(diǎn)相和熔化為特征來判斷過燒。不管是過熱還是過燒,都使得緊固件產(chǎn)品性能降低,在使用中容易出現(xiàn)早期失效。一般情況下,緊固件材料過熱可通過熱處理進(jìn)行性能的組織的恢復(fù),而過燒則只能報(bào)廢。圖5-22給出了高溫合金由于過燒導(dǎo)致的低熔點(diǎn)共晶相的回熔特征。
對(duì)鈦合金而言,鍛鍛溫度高時(shí)也容易出現(xiàn)組織不均勻甚至粗大的魏氏體組織和熱剪切現(xiàn)象,這是與鈦合金的導(dǎo)熱率較其他合金低很多有關(guān)。
—End—
文章來源:機(jī)械裝備缺陷與失效分析
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