賈朋剛，張 妍

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

承受較大復(fù)雜載荷且對水電機(jī)組的安全運(yùn)行起到關(guān)鍵作用的螺栓，所采用的材質(zhì)多數(shù)為34CrNi3Mo、42CrMo、35CrMo等合金鋼鍛件，在水介質(zhì)環(huán)境或者潮濕環(huán)境中長時(shí)間運(yùn)行服役后，表面多數(shù)出現(xiàn)了一定程度的銹蝕問題，對檢修時(shí)螺栓的拆卸安裝造成了很大的麻煩，也給后續(xù)螺栓的壽命造成了嚴(yán)重的影響[1-2]。馬氏體不銹鋼材料在常規(guī)水介質(zhì)或者潮濕環(huán)境中表現(xiàn)出了良好的耐腐蝕性，目前在水電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪、抗磨板、迷宮環(huán)等流速高腐蝕磨蝕情況比較易發(fā)的重要部位得到了廣泛的應(yīng)用。但是馬氏體不銹鋼在水電機(jī)組的聯(lián)軸螺栓、頂蓋螺栓、槳葉連接螺栓等重要受力緊固件上的應(yīng)用還尚未看到，其疲勞性能的對比研究還不清楚，目前還只是停留在常規(guī)的小型標(biāo)準(zhǔn)件上使用，例如在水箱連接件、水導(dǎo)密封件的連接緊固上[3-5]。因此，有必要研究馬氏體不銹鋼螺栓材料的疲勞特性，為后續(xù)馬氏體不銹鋼鍛件材料在特殊螺栓連接場合替代低合金鋼鍛件材料的可行性提供有效論證，滿足水電機(jī)組關(guān)鍵部套的螺栓連接的可靠性和安全性。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用φ120 mm的馬氏體不銹鋼鍛件材料0Cr13Ni5Mo(以下簡稱13-5)、0Cr16Ni5Mo(以下簡稱16-5)和0Cr17Ni4Cu4Nb(以下簡稱17-4)。

1.2 試驗(yàn)方法

采用直度光譜儀對材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析。采用1∶1鹽酸水對材料的全截面試樣進(jìn)行熱酸洗低倍檢驗(yàn)。在鍛件1/2半徑處取樣，經(jīng)粗磨、精磨、拋光，4%硝酸酒精溶液腐蝕后采用奧林巴斯PMJ倒式顯微鏡觀察鐵素體和馬氏體組織。拉伸試驗(yàn)采用日本島津公司的AG-I 250 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)按GB/T 228.1—2010和GB/T 228.2—2015進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)采用上海華龍測試儀器有限公司的CBD-300擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)采用10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試樣，試驗(yàn)按GB 229—2007和GB/T 12778進(jìn)行。疲勞性能試驗(yàn)采用HT-8120曲屈疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)按GB/T 4337—2008和GB/T 24176—2009進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

表1給出了不同種類不銹鋼高強(qiáng)螺栓鍛件材料的化學(xué)成分測試結(jié)果。相比不銹鋼13-5，不銹鋼16-5具有更高的Cr、Ni含量，而不銹鋼17-4中加入Cu，進(jìn)一步提高Cr含量的同時(shí)降低Ni含量。

表1 不同類型不銹鋼材料的成分對比

2.2 組織分析

表2給出了不同種類不銹鋼高強(qiáng)螺栓鍛件材料的低倍檢驗(yàn)結(jié)果，鍛件13-5，鍛件16-5以及鍛件17-4的低倍組織均無異常。

表2 低倍檢驗(yàn)結(jié)果(等級)

圖1是三種不銹鋼螺栓鍛件材料在半徑1/2處的金相組織?？梢钥闯?，不銹鋼13-5的組織為回火馬氏體，不銹鋼16-5和不銹鋼17-4都是回火馬氏體+鐵素體組織，但是16-5中的鐵素體量少且呈彌散分布，而17-4組織中含有更多的鐵素體，且呈連續(xù)分布。

圖1 馬氏體不銹鋼螺栓材料的金相組織

2.3 力學(xué)性能

取三種不銹鋼螺栓材料表面以下處、半徑1/2處和中心處的軸向拉伸試樣，測試室溫和300 ℃的力學(xué)性能，結(jié)果如圖2?？梢钥闯觯?7-4具有最高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能達(dá)到1 000 MPa以上，但延伸率和收縮率明顯降低，16-5的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略高于13-5，二者的延伸率和收縮率無明顯差別。對于不同的部位，三種高強(qiáng)螺栓材料從表面到心部的性能均略有降低，其中室溫17-4的延伸率和收縮率下降明顯，其室溫?cái)嗪笱由炻?3.5%，室溫?cái)嗝媸湛s率37%。對于不同的試驗(yàn)溫度，300 ℃三種不同螺栓材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率較室溫都有明顯的下降，但收縮率都基本保持不變。除了17-4的室溫塑性，三種不銹鋼高強(qiáng)螺栓鍛件材料不同部位的性能無顯著差異。相對而言，沉淀硬化不銹鋼17-4的強(qiáng)度高，塑性稍差，馬氏體不銹鋼13-5強(qiáng)度低一些，塑性好，馬氏體不銹鋼16-5具有良好的綜合力學(xué)性能。

分別取三種不同種類的螺栓材料半徑1/2處的軸向沖擊試樣，測試室溫、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃和-60 ℃的沖擊性能，并測定沖擊斷口的纖維斷面率，結(jié)果見表3和圖3。從表中可以看出，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 ℃。從圖中可以看出，13-5的韌性最好，16-5次之，17-4最差。

分別沿三種不銹鋼高強(qiáng)螺栓鍛件材料的徑向橫截面，從表面到心部再到表面檢測布氏硬度，結(jié)果見圖4，圖中橫坐標(biāo)為測試位置，其中“0”是心部，“-5”和“5”是表面。從圖中可以看出，13-5從表面到心部硬度稍有降低，16-5與17-4硬度降低不明顯，17-4的硬度明顯高于其他兩種螺栓材料。

(a)屈服強(qiáng)度；(b)抗拉強(qiáng)度；(c)斷后伸長率；(d)斷面收縮率 圖2 馬氏體不銹鋼螺栓材料不同部位的室溫和高溫力學(xué)性能對比

表3 馬氏體不銹鋼螺栓材料的沖擊值和纖維斷面率

圖3 馬氏體不銹鋼螺栓材料不同溫度的沖擊值

圖4 馬氏體不銹鋼螺栓材料徑向硬度分布規(guī)律

2.4 疲勞性能

13-5的升降法數(shù)據(jù)列于表4，16-5的升降法數(shù)據(jù)列于表5，17-4的升降法數(shù)據(jù)列于表6。

表7是通過試驗(yàn)與計(jì)算獲得的三種馬氏體不銹鋼材料的A、B、C、D四個(gè)系數(shù)，以及疲勞強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖5是三種不銹鋼材料的S-N曲線。

表4 13-5升降法數(shù)據(jù)試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)(共14只)

表5 16-5升降法數(shù)據(jù)試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)(共14只)

表6 17-4升降法數(shù)據(jù)試驗(yàn)有效數(shù)據(jù)(共15只)

表7 13-5材料疲勞強(qiáng)度平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差

表8為不銹鋼螺栓材料的疲勞極限σ-1與強(qiáng)度，σ-1從大到小依次為：16-5>17-4>13-5。13-5與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強(qiáng)度提高的同時(shí)σ-1也增大，韌性無明顯下降，沖擊值能達(dá)到130 J，而17-4的強(qiáng)度最高但σ-1并非最大，可能與韌性較差有關(guān)，沖擊值只有45 J。因此，未來在考慮高強(qiáng)螺栓的疲勞性能時(shí)，除了強(qiáng)度指標(biāo)，還應(yīng)綜合考慮韌性指標(biāo)，并非強(qiáng)度越高螺栓材料的疲勞性能越好。

(a) 13-5； (b) 16-5； (c) 17-4 圖5 馬氏體不銹鋼螺栓材料的S-N曲線

表8 馬氏體不銹鋼螺栓材料的疲勞極限和強(qiáng)度

3 結(jié)論

馬氏體不銹鋼螺栓材料13-5的強(qiáng)度低塑韌性好，σ-1為458.3 MPa，17-4的強(qiáng)度高塑韌性差，σ-1為469.0 MPa，16-5具有良好的綜合力學(xué)性能，σ-1為486.5 MPa。馬氏體不銹鋼16-5的疲勞性能高，綜合力學(xué)性能好，具備替代低合金鋼應(yīng)用于水電機(jī)組的高強(qiáng)連接螺栓的潛質(zhì)。