李艷軍，辛軍華，陳波，付翊宸，孫鵬輝，張慧

（河南航天精工制造有限公司，河南 信陽 464000）

緊固件素有“工業(yè)之米”之稱，其制造材料主要有碳鋼、合金鋼、鈦合金、橡膠及有色金屬等。我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入新的增長平臺(tái)，給緊固件市場提供了巨大的發(fā)展空間，緊固件行業(yè)產(chǎn)品選材對(duì)于生產(chǎn)進(jìn)度調(diào)整、成本控制極為重要。以某高鐵制動(dòng)系統(tǒng)用螺栓為例，其產(chǎn)品主要采用35CrMo、40CrMoV4-6及A286三種材料進(jìn)行生產(chǎn)制造，性能等級(jí)要求相近，通過研究這三種材料的力學(xué)性能，可以有效控制生產(chǎn)成本及為客戶提供不同服役條件下產(chǎn)品材料推薦，對(duì)軌道交通緊固件選型提供一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

拉伸實(shí)驗(yàn)是研究材料機(jī)械性能的最基本、應(yīng)用最廣泛的實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)方法簡單，而且易于得到較為可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在工程上和實(shí)驗(yàn)室中都廣泛利用拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)取材料的機(jī)械性能。多數(shù)緊固件材料中拉伸曲線的特性，其強(qiáng)度和塑性指標(biāo)的定義與測(cè)試方法基本相同，因此，本文通過對(duì)產(chǎn)品取樣制備試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，分析比較35CrMo、40CrMoV4-6及A286三種材料的機(jī)械力學(xué)性能，測(cè)定其服役性能，掌握其拉伸性能和破壞過程的特點(diǎn)，正確合理地認(rèn)識(shí)和選用產(chǎn)品材料。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

將35CrMo、40CrMoV4-6與A286三種材料生產(chǎn)出來的產(chǎn)品（圖1）進(jìn)行制備試樣，將拉伸試樣棒分別進(jìn)行室溫、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃拉伸試樣，其試驗(yàn)后均發(fā)生斷裂，如圖2所示。試樣棒斷口處直徑縮小且斷后試樣棒伸長，通過觀察試樣斷口形貌，發(fā)現(xiàn)斷口出現(xiàn)韌窩，三種材料以韌性斷裂的形式發(fā)生拉伸失效。

圖1 螺栓產(chǎn)品示意圖

圖2 螺栓與材料試驗(yàn)后

在300℃下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，35CrMo材料螺栓抗拉強(qiáng)度保持在1000MPa以上。當(dāng)試驗(yàn)溫度大于300℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度發(fā)生驟降，抗拉強(qiáng)度降低為880MPa，這是由于在高溫下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，隨著溫度的提高，碳原子從過飽和的α相中析出，基體組織中馬氏體發(fā)生分解，故抗拉強(qiáng)度在300℃后發(fā)生突變，降低其力學(xué)性能，最終在500℃溫度下35CrMo的抗拉強(qiáng)度降低至713MPa。

當(dāng)拉伸溫度升高至400℃時(shí)，由于35CrMo中的α相具有板條狀特征，片狀碳化物沿板條界面析出，在拉伸過程中，析出的滲碳體開始聚集長大，片狀滲碳體的長寬比縮小，最終形成接近顆粒狀的滲碳體。故其應(yīng)力保持率在400～500℃時(shí)發(fā)生降低，由79.7%降低至42.51%（圖3、圖4）。

圖3 35CrMo抗拉強(qiáng)度

圖4 35CrMo應(yīng)力保持率

40CrMoV4-6材料在300℃進(jìn)行拉伸時(shí)，晶界處發(fā)生了碳化物的析出和生長，降低了晶體晶界處的結(jié)合強(qiáng)度，為應(yīng)力釋放提供裂紋源，裂紋將在晶體晶界處萌生并逐漸實(shí)現(xiàn)延伸，而且在高溫拉伸過程中，40CrMoV4-6還存在α相的回復(fù)過程，α相中位錯(cuò)胞和胞內(nèi)位錯(cuò)線消失，晶體內(nèi)位錯(cuò)密度下降，剩余位錯(cuò)發(fā)生多邊化形成亞晶粒，在高溫環(huán)境中隨著拉伸實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，亞晶粒發(fā)生些許長大，亞晶界發(fā)生移動(dòng)形成大角度晶界，晶粒尺寸進(jìn)一步變大，大晶粒的生成使得力學(xué)性能突降，最終在500℃溫度下40CrMoV4-6的抗拉強(qiáng)度降低為773MPa（圖5、圖6）。

圖5 40CrMoV4-6抗拉強(qiáng)度

圖6 40CrMoV4-6應(yīng)力保持率

A286高溫合金組織中存在大量的位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)，隨著拉伸實(shí)驗(yàn)溫度的升高，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，原子間的結(jié)合能力減弱，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力減小，高溫合金中的樹枝晶組織特征弱化，組織中位錯(cuò)密度明善減少，位錯(cuò)纏結(jié)程度降低，使得位錯(cuò)的滑移更易啟動(dòng)，從而抗拉強(qiáng)度室溫下的1054MPa逐漸降低，在500℃拉伸溫度下，抗拉強(qiáng)度降低至885MPa，應(yīng)力保持率由99.46%降至88.35%（圖7、圖8）。

圖7 A286抗拉強(qiáng)度

圖8 A286應(yīng)力保持率

3 結(jié)語

（1）35CrMo與40CrMoV4-6材料用于制造在工作溫度低于400℃的緊固件具有較高的靜力強(qiáng)度，可有效承受沖擊、高載荷，其服役在室溫至300℃區(qū)間內(nèi)力學(xué)性能穩(wěn)定，產(chǎn)品服役壽命長。

（2）A286材料用于制造服役于高溫環(huán)境下緊固件，其長時(shí)間服役于高溫環(huán)境仍具有較好的抗拉強(qiáng)度，大幅度貼合軌道交通領(lǐng)域及航空航天領(lǐng)域產(chǎn)品性能要求。