42CrMo高強度螺栓在海洋大氣環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險評估

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

高強度螺栓廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的連接、緊固及密封。除了預(yù)緊拉伸載荷，螺栓在工作過程中還受到附加的軸向拉伸載荷、剪切載荷以及沖擊載荷等。螺栓屬于典型的缺口型零件，在缺口部位如螺桿根部、螺紋根部等易產(chǎn)生應(yīng)力集中。對于在近海高熱、潮濕腐蝕環(huán)境中使用的高強度連接螺栓，當(dāng)缺口部位的氫濃度達到臨界值時，在應(yīng)力場的作用下，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂[1]，斷裂位置常發(fā)現(xiàn)于螺桿根部或第一扣螺紋處[2]。隨著螺栓材料抗拉強度的增大，尤其當(dāng)抗拉強度超過1 200 MPa時，應(yīng)力腐蝕敏感性急劇增加[3]。氫在應(yīng)力誘導(dǎo)下擴散并富集到臨界值需要一段時間，因此高強度螺栓應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)的形核與擴展不易通過常規(guī)方法進行監(jiān)測。螺栓的應(yīng)力腐蝕斷裂失效，可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)、設(shè)備等出現(xiàn)安全隱患，并引發(fā)重大事故[4]，因此有必要對腐蝕環(huán)境中的高強度螺栓進行應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險分析。

高強度螺栓的應(yīng)力腐蝕評估研究主要涉及：1)螺栓材料，包含材料性能、材料組織、熱處理、硬度等；2)螺栓零件工作應(yīng)力，主要考慮螺栓尺寸、預(yù)緊力大小、殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中情況等；3)腐蝕環(huán)境，應(yīng)對工作環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)、介質(zhì)濃度、環(huán)境溫度壓力等因素進行分析。不少學(xué)者基于斷裂力學(xué)通過建立材料應(yīng)力腐蝕強度門檻值(KISCC)與零件的裂紋尖端應(yīng)力強度(KI)的對比機制，評價零件在工作狀態(tài)的應(yīng)力腐蝕風(fēng)險。CHEN等[5]根據(jù)上述思路，建立了大型空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕致裂風(fēng)險評估機制，實現(xiàn)了大跨結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕開裂位置的有效識別。王會利等[6]通過Gerberich-Chen公式估算了高強度螺栓腐蝕裂紋擴展門檻值，并利用螺紋根部微裂紋不發(fā)生應(yīng)力腐蝕擴展條件(KI≤KISCC)，給出了螺栓臨界裂紋長度。但由于理論計算獲得的KISCC受材料碳含量、腐蝕環(huán)境因子、載荷等多因素的影響，在進行安全評價時，建議采用針對性的試驗方法進行應(yīng)力腐蝕門檻值測定[7]。付長安等[8]采用應(yīng)力腐蝕開裂及疲勞理論，分別給出了某飛機主起落架螺栓在水和X98-1膠水中的臨界裂紋長度，并通過裂紋擴展速率(da/dt)估算了螺栓的延遲開裂時間。根據(jù)實際載荷工況，合理地選用加載預(yù)制裂紋試樣，通過模擬腐蝕環(huán)境中的加速試驗與自然大氣環(huán)境中的暴露試驗均可有效獲得所研究材料的應(yīng)力腐蝕門檻值以及裂紋擴展速率[9-11]。由于螺紋根部的應(yīng)力強度難以通過測試手段獲取，更多學(xué)者采用經(jīng)驗公式或有限元方法進行計算分析。KUMAR等[12]通過對螺栓進行有限元仿真，給出了三種裂紋形態(tài)(開裂式、滑移式、撕裂式)下，裂紋深度比a/d(裂紋長度/螺紋大徑)和軸向拉應(yīng)力對螺紋根部應(yīng)力強度因子的影響。考慮螺紋軸肩、應(yīng)力集中、螺紋張角以及螺紋干涉的影響，尹峰等[13]修正了具有軸肩圓柱體的應(yīng)力強度因子表達式，并提出修正因子的直線方程替換方法，簡化了表達式。同時，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，螺栓原材料制造缺陷對裂紋擴展的影響較大，表面裂紋越大，應(yīng)力集中的影響效應(yīng)越小[14]。方棟等[15]通過試驗測試了M56鋼制螺栓的沖擊斷裂韌度及其在加速腐蝕環(huán)境中的腐蝕斷裂韌性，并結(jié)合有限元計算分析了螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的螺紋根部強度，確定了螺栓在工作條件下的可靠性。對于多排連接螺栓結(jié)構(gòu)，高強度螺栓的連接結(jié)構(gòu)在裂紋處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，以及發(fā)生裂紋擴展現(xiàn)象，這極易導(dǎo)致高強度螺栓應(yīng)力或螺牙應(yīng)變過大，可對連接結(jié)構(gòu)的可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響[16]。

某大型活動發(fā)射平臺使用及存放地點屬于典型海洋大氣鹽霧環(huán)境，平臺鋼箱梁結(jié)構(gòu)使用大量法蘭以及42CrMo高強度螺栓進行連接。高強度螺栓在鹽霧環(huán)境中受預(yù)緊載荷、工作載荷聯(lián)合作用，盡管采取了防護措施，但仍然存在應(yīng)力腐蝕風(fēng)險。為了確保產(chǎn)品使用的安全性，本工作通過在自然環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕試驗對42CrMo高強度鋼的應(yīng)力腐蝕行為進行研究，同時提出采用螺栓螺紋根部應(yīng)力強度因子計算模型，并建立了螺栓應(yīng)力腐蝕安全性評估判據(jù)，對所使用的不同規(guī)格高強度螺栓進行應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險評估，以期為高強度螺栓在鹽霧環(huán)境中的設(shè)計應(yīng)用與應(yīng)力腐蝕防護提供參考及依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為42CrMo鋼，化學(xué)成分見表1。材料屈服強度為930 MPa，熱處理至HRC 34～36后對試樣兩側(cè)面打磨至露出金屬基體。

表1 試驗材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of test samples %

1.2 試驗方法

采用楔形張開加載(WOL)預(yù)裂紋試樣進行應(yīng)力腐蝕試驗，根據(jù)GB 12445.3—1990《高強度合金楔形張開加載(WOL)預(yù)裂紋試樣應(yīng)力腐蝕試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)，試樣裂紋尖端需滿足平面應(yīng)變條件，試樣尺寸如圖1所示。使用高頻疲勞試驗機對試樣進行預(yù)制疲勞裂紋，裂紋長度為2～2.5 mm。預(yù)制裂紋前，使用汽油等溶劑對機加工試樣的表面及線切割槽清洗干凈并干燥，最大疲勞載荷為10 kN；預(yù)制裂紋后對裂紋進行測量，兩側(cè)面裂紋與中心面偏離均不大于10°。

圖1 改進型WOL試樣尺寸Fig.1 Dimension of modified WOL specimen

應(yīng)力腐蝕試驗在海洋大氣環(huán)境中進行，試樣置于海南萬寧試驗站近海無防護林區(qū)，試驗站大氣環(huán)境參數(shù)如表2所示，該大氣環(huán)境與螺栓產(chǎn)品使用的環(huán)境基本相同。

表2 萬寧試驗站大氣環(huán)境參數(shù)Tab.2 Atmospheric parameters in Wanning test station

根據(jù)拉伸試驗機對試樣載荷標(biāo)定的曲線，當(dāng)張口位移為0.75 mm時，試樣進入屈服階段。試樣采用M10螺栓進行加載，加載時將試樣固定在臺虎鉗上夾緊，用扳手勻速轉(zhuǎn)動螺釘加載到指定張口位移值，并通過式(1)計算不同張口位移下的初始裂紋尖端強度KI。

(1)

(2)

表3 試驗不同加載條件Tab.3 Different loading conditions in the test

試驗過程中，定期通過讀數(shù)顯微鏡對試樣進行裂紋擴展長度測量，并記錄相應(yīng)試樣掛置時間。根據(jù)取得的裂紋長度和相應(yīng)的時間計算應(yīng)力腐蝕強度因子KI和裂紋擴展速率da/dt，當(dāng)裂紋平均擴展速率小于或等于10-9m/s時，停止試驗。試驗后沿裂紋拉斷試樣并清理斷口，沿厚度方向不同位置(25%、50%、75%)測量裂紋長度，并取平均值，記為試驗終止裂紋長度。

2 試驗結(jié)果分析

圖2 不同加載強度條件下的應(yīng)力腐蝕裂紋長度(測量值)Fig.2 Stress corrosion crack length under different loading strength condition(measured values)

圖3 42CrMo試樣應(yīng)力腐蝕da/dt與KI的關(guān)系(Boltzmann函數(shù)擬合)Fig.3 Relationship between da/dt and KI for 42CrMo specimens (fitted by Boltzmann function)

(a)2號試樣

(b)4號試樣圖4 不同試樣裂紋分界面微觀斷口形貌Fig.4 Micro morphology in the crack interface of the specimens：(a)No.2 sample;(b)No.4 sample

3 螺栓應(yīng)力腐蝕失效風(fēng)險評估及討論

3.1 螺紋根部應(yīng)力強度因子

根據(jù)斷裂力學(xué)原理，螺栓可視為含有環(huán)形裂紋的光滑圓柱體。螺栓在工作時主要受軸向拉應(yīng)力的作用，考慮缺口處的應(yīng)力集中，根據(jù)以下公式[13]，可計算螺紋根部應(yīng)力強度因子KI：

(3)

(4)

在螺紋加工過程中，由于工藝控制不當(dāng)可能使得螺紋根部在機械損傷下產(chǎn)生微裂紋，裂紋尖端存在較高的三向應(yīng)力場，在鹽霧環(huán)境中易促使氫缺陷大量聚集，微裂紋的存在會極大縮短螺栓根部裂紋的孕育期。若在螺紋根部存在長度為a的微裂紋，則帶附加裂紋的螺栓根部應(yīng)力強度因子KI可由下式進行計算[13]：

(5)

(6)

(7)

研究表明，依據(jù)光滑圓柱表面環(huán)形裂紋斷裂力學(xué)，采用缺口形狀系數(shù)對公式進行修正時，缺口尺寸比例范圍的適用范圍為0.01

3.2 螺栓應(yīng)力腐蝕安全性判據(jù)

高強度螺栓的應(yīng)力腐蝕延遲斷裂，受到使用工況、材料強度、腐蝕環(huán)境、測試結(jié)果等多種不確定因素的影響。在評價螺栓零件應(yīng)力腐蝕斷裂風(fēng)險的過程中引入安全系數(shù)n，則安全評價判據(jù)可由下式表達：

(8)

3.3 案例分析

以某沿海發(fā)射平臺主梁法蘭連接螺栓(M56)和塔架連接螺栓(M42、M36)為例，螺栓螺紋均按GB/T 196—2003設(shè)計，圖5所示為平臺鋼箱梁法蘭連接結(jié)構(gòu)。螺栓使用42CrMo鋼，屈服強度930 MPa。在預(yù)緊力、工作載荷的作用下，M56主梁螺栓計算工作應(yīng)力為354 MPa，M36和M42塔架螺栓的計算工作應(yīng)力均為400 MPa。

圖5 鋼箱梁法蘭結(jié)構(gòu)Fig.5 Flange structure of the steel box girder

根據(jù)式(3)和式(4)，可得到無初始裂紋條件下，以上各規(guī)格螺栓螺紋根部應(yīng)力強度及使用安全評估結(jié)果，如表4所示。螺栓應(yīng)力腐蝕風(fēng)險評估時安全系數(shù)n取1.5，當(dāng)前產(chǎn)品中設(shè)計使用的主要連接螺栓均不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。如圖6所示，隨著工作載荷的增加，螺紋根部應(yīng)力強度線性增加，不同規(guī)格的螺栓在較低工作應(yīng)力下螺紋根部的應(yīng)力強度差異并不明顯。對于M56螺栓，不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的最大工作應(yīng)力為685 MPa，是當(dāng)前使用載荷的1.94倍。

表4 發(fā)射平臺螺栓應(yīng)力腐蝕斷裂安全性評價結(jié)果Tab.4 Evaluation results of SCC risk of the bolts on the launch platform

圖6 螺紋根部應(yīng)力強度KI隨螺栓工作應(yīng)力的變化Fig.6 Variation of KI with the working load of bolts

在實際工程應(yīng)用中，由于種種原因，如機加工、熱處理以及復(fù)雜的使用工況，螺紋根部易出現(xiàn)微裂紋缺陷。根據(jù)式(5)～(8)，可計算出高強度螺栓在不同工作應(yīng)力下的允許裂紋長度。如圖7所示，當(dāng)工作應(yīng)力為400 MPa時，M24和M36螺栓不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大允許裂紋長度為0.96 mm和0.99 mm；當(dāng)工作應(yīng)力為354 MPa時，M56螺栓不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大允許裂紋長度為1.34 mm。高強度螺栓應(yīng)力腐蝕風(fēng)險隨微裂紋長度的增大而增加，當(dāng)超過臨界允許裂紋長度，螺栓將出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋擴展乃至斷裂。在較小的軸向工作應(yīng)力范圍內(nèi)，含微裂紋缺陷的螺栓抗應(yīng)力腐蝕開裂性能隨工作應(yīng)力的增加而急劇下降。在鹽霧環(huán)境中使用高強度螺栓進行連接的結(jié)構(gòu)，螺栓選型設(shè)計時應(yīng)進行應(yīng)力腐蝕安全性評估，通過減小螺栓有效工作應(yīng)力，以降低應(yīng)力腐蝕風(fēng)險，同時利用服役期內(nèi)定期檢修時的超聲探傷檢測，進行螺栓缺陷的識別與控制，以確保產(chǎn)品的使用安全性。

圖7 不同工作應(yīng)力下螺紋根部最大允許裂紋長度Fig.7 Maximum allowable crack length in the thread roots under different working loads

4 結(jié)論

(2)基于斷裂力學(xué)建立了螺栓零件應(yīng)力腐蝕安全性評估判據(jù)，通過評估確認了某發(fā)射平臺不同規(guī)格42CrMo高強度螺栓無應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險，確保產(chǎn)品使用的安全性；

(3)高強度螺栓的應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險隨工作應(yīng)力的增加而增大；在較小的軸向工作應(yīng)力范圍內(nèi)，含微裂紋缺陷螺栓的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能隨工作應(yīng)力的增加而急劇下降。