马氏体不锈钢螺栓材料疲劳性能对比研究

2020-06-28贾朋刚

上海大中型电机 2020年2期

贾朋刚，张妍

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

承受较大复杂载荷且对水电机组的安全运行起到关键作用的螺栓，所采用的材质多数为34CrNi3Mo、42CrMo、35CrMo等合金钢锻件，在水介质环境或者潮湿环境中长时间运行服役后，表面多数出现了一定程度的锈蚀问题，对检修时螺栓的拆卸安装造成了很大的麻烦，也给后续螺栓的寿命造成了严重的影响[1-2]。马氏体不锈钢材料在常规水介质或者潮湿环境中表现出了良好的耐腐蚀性，目前在水电机组的转轮、抗磨板、迷宫环等流速高腐蚀磨蚀情况比较易发的重要部位得到了广泛的应用。但是马氏体不锈钢在水电机组的联轴螺栓、顶盖螺栓、桨叶连接螺栓等重要受力紧固件上的应用还尚未看到，其疲劳性能的对比研究还不清楚，目前还只是停留在常规的小型标准件上使用，例如在水箱连接件、水导密封件的连接紧固上[3-5]。因此，有必要研究马氏体不锈钢螺栓材料的疲劳特性，为后续马氏体不锈钢锻件材料在特殊螺栓连接场合替代低合金钢锻件材料的可行性提供有效论证，满足水电机组关键部套的螺栓连接的可靠性和安全性。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验材料选用φ120 mm的马氏体不锈钢锻件材料0Cr13Ni5Mo(以下简称13-5)、0Cr16Ni5Mo(以下简称16-5)和0Cr17Ni4Cu4Nb(以下简称17-4)。

1.2 试验方法

采用直度光谱仪对材料的化学成分进行分析。采用1∶1盐酸水对材料的全截面试样进行热酸洗低倍检验。在锻件1/2半径处取样，经粗磨、精磨、抛光，4%硝酸酒精溶液腐蚀后采用奥林巴斯PMJ倒式显微镜观察铁素体和马氏体组织。拉伸试验采用日本岛津公司的AG-I 250 kN电子万能试验机。试验按GB/T 228.1—2010和GB/T 228.2—2015进行。冲击试验采用上海华龙测试仪器有限公司的CBD-300摆锤冲击试验机，试验采用10 mm×10 mm×55 mm的标准夏比V型缺口冲击试样，试验按GB 229—2007和GB/T 12778进行。疲劳性能试验采用HT-8120曲屈疲劳试验机，试验按GB/T 4337—2008和GB/T 24176—2009进行。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分分析

表1给出了不同种类不锈钢高强螺栓锻件材料的化学成分测试结果。相比不锈钢13-5，不锈钢16-5具有更高的Cr、Ni含量，而不锈钢17-4中加入Cu，进一步提高Cr含量的同时降低Ni含量。

表1 不同类型不锈钢材料的成分对比

2.2 组织分析

表2给出了不同种类不锈钢高强螺栓锻件材料的低倍检验结果，锻件13-5，锻件16-5以及锻件17-4的低倍组织均无异常。

表2 低倍检验结果(等级)

图1是三种不锈钢螺栓锻件材料在半径1/2处的金相组织。可以看出，不锈钢13-5的组织为回火马氏体，不锈钢16-5和不锈钢17-4都是回火马氏体+铁素体组织，但是16-5中的铁素体量少且呈弥散分布，而17-4组织中含有更多的铁素体，且呈连续分布。

图1 马氏体不锈钢螺栓材料的金相组织

2.3 力学性能

取三种不锈钢螺栓材料表面以下处、半径1/2处和中心处的轴向拉伸试样，测试室温和300 ℃的力学性能，结果如图2。可以看出，17-4具有最高的屈服强度和抗拉强度，能达到1 000 MPa以上，但延伸率和收缩率明显降低，16-5的屈服强度和抗拉强度略高于13-5，二者的延伸率和收缩率无明显差别。对于不同的部位，三种高强螺栓材料从表面到心部的性能均略有降低，其中室温17-4的延伸率和收缩率下降明显，其室温断后延伸率13.5%，室温断面收缩率37%。对于不同的试验温度，300 ℃三种不同螺栓材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率较室温都有明显的下降，但收缩率都基本保持不变。除了17-4的室温塑性，三种不锈钢高强螺栓锻件材料不同部位的性能无显著差异。相对而言，沉淀硬化不锈钢17-4的强度高，塑性稍差，马氏体不锈钢13-5强度低一些，塑性好，马氏体不锈钢16-5具有良好的综合力学性能。

分别取三种不同种类的螺栓材料半径1/2处的轴向冲击试样，测试室温、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃和-60 ℃的冲击性能，并测定冲击断口的纤维断面率，结果见表3和图3。从表中可以看出，螺栓材料13-5的FATT50<-60 ℃，螺栓材料16-5的FATT50<-60 ℃，螺栓材料17-4的FATT50>20 ℃。从图中可以看出，13-5的韧性最好，16-5次之，17-4最差。

分别沿三种不锈钢高强螺栓锻件材料的径向横截面，从表面到心部再到表面检测布氏硬度，结果见图4，图中横坐标为测试位置，其中“0”是心部，“-5”和“5”是表面。从图中可以看出，13-5从表面到心部硬度稍有降低，16-5与17-4硬度降低不明显，17-4的硬度明显高于其他两种螺栓材料。

(a)屈服强度；(b)抗拉强度；(c)断后伸长率；(d)断面收缩率图2 马氏体不锈钢螺栓材料不同部位的室温和高温力学性能对比

表3 马氏体不锈钢螺栓材料的冲击值和纤维断面率

图3 马氏体不锈钢螺栓材料不同温度的冲击值

图4 马氏体不锈钢螺栓材料径向硬度分布规律

2.4 疲劳性能

13-5的升降法数据列于表4，16-5的升降法数据列于表5，17-4的升降法数据列于表6。

表7是通过试验与计算获得的三种马氏体不锈钢材料的A、B、C、D四个系数，以及疲劳强度平均值与标准偏差。图5是三种不锈钢材料的S-N曲线。

表4 13-5升降法数据试验有效数据(共14只)

表5 16-5升降法数据试验有效数据(共14只)

表6 17-4升降法数据试验有效数据(共15只)

表7 13-5材料疲劳强度平均值及标准偏差

表8为不锈钢螺栓材料的疲劳极限σ-1与强度，σ-1从大到小依次为：16-5>17-4>13-5。13-5与16-5的σ-1都大于0.23(Rp0.2+Rm)而小于0.27(Rp0.2+Rm)，17-4的σ-1小于0.23(Rp0.2+Rm)。相比13-5，16-5强度提高的同时σ-1也增大，韧性无明显下降，冲击值能达到130 J，而17-4的强度最高但σ-1并非最大，可能与韧性较差有关，冲击值只有45 J。因此，未来在考虑高强螺栓的疲劳性能时，除了强度指标，还应综合考虑韧性指标，并非强度越高螺栓材料的疲劳性能越好。