基于有限元数据分析10级螺母使用35钢与40Cr钢性能对比

杨仕杰

湖北江华机械有限公司 湖北襄阳 441000

1 序言

随着信息技术的发展，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。在产品设计阶段发现潜在问题，经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本，模拟试验方案，减少试验次数[1]。

在三维基础上进行的 CAE 分析，利用现代计算机强大的数值计算能力所起到的“虚拟样机”的作用，在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证试验”，极大地缩短了设计周期，降低了生产成本[2]。

以1961年MIT实验室的SUTHERLAND发表的一篇关于人机交互的图形系统博士论文为起点，CAD/CAM 技术经过半个世纪的发展，在理论、技术、系统和应用等方面都有了较大的进步。杨松宇等[3]建立螺栓法兰垫片整体的有限元模型，进行了DN500螺栓法兰连接系统的紧固试验，验证了有限元模型的合理性。陈卫林等[4]针对现有螺母喷丸工艺中的单层弹丸或多层规则弹丸模型的不足，在ABAQUS有限元分析软件中建立了多层随机弹丸分布模型，使用该模型研究了弹丸层数、喷丸角度和喷丸速度对螺母表面残余应力的影响，并通过喷丸试验对多层随机弹丸模型进行验证。

本文通过使用Jmatpro和NX NASTRAN分析软件对10级螺母使用材料35钢和40Cr钢进行分析比对，查询标准，并对分析结果进行说明。对实物螺母使用维氏硬度计和金相显微镜对硬度和金相进行检测，将结果进行对比讨论。

2 材料成分分析

35钢和40Cr钢螺母材料化学成分与力学性能分别见表1、表2。

表1 35钢与40Cr钢化学成分[5，6]（质量分数） （%）

表2 35钢与40Cr钢力学性能[5，6]

由化学成分可知，35钢与40Cr钢相比，各元素成分相当，35钢C含量略低、Cr含量低于40Cr。C元素在材料组织内部主要以形成碳化物为主，可以提高材料的强度和硬度；Cr元素能显著提高钢的抗氧化性能，提高钢的淬透性，增加钢的抗腐蚀能力，并提高钢的强度和耐磨性，因此40Cr钢力学性能均优于35钢。但35钢作为优质碳素结构钢的一种，其具有良好的塑性和适当的强度，是螺栓联接中常用的材料；40Cr钢虽然在力学性能上优于35钢，但由于C含量的增加，其塑性韧性降低，不利于抵抗螺栓使用过程中造成的由振动引起的塑性变形[7]；另外，Cr元素资源较少，面对螺母的生产势必会造成成本的上升，经济性低于35钢。

3 螺母等级标准描述

按照GB/T 3098.2—2015《紧固件机械性能—螺母》规定，10级M10细牙螺纹螺母材料与螺母热处理为碳素钢淬火与回火[8]，化学成分极限要求见表3，且在10级螺母注释当中所描述“为满足力学性能要求，可能需要添加合金元素”。由此可知，螺母材料35钢和40Cr钢化学成分均能满足标准要求，且对40Cr钢中合金元素的使用并非必要条件。

表3 螺母化学成分（质量分数）极限要求[8] （%）

4 材料性能模拟分析

使用NX NASTARN软件对螺母使用条件进行仿真模拟分析，并使用Jmatpro软件对螺母热处理后的硬度和金相进行计算分析[9]。

4.1 应力应变分析

为分析讨论螺母材料35钢和40Cr钢性能，采用有限元分析软件NX NASTRAN分析螺母在装配过程中所受扭矩载荷下所产生的应力应变。现将分析数据说明如下。

（1）材料模拟性能分析 材料性能参数见表4。

表4 35钢与40Cr钢材料性能参数

（2）边界条件加载分析 根据螺母使用条件，螺母主要受一竖直方向60N·m扭矩力和平面支撑力，其边界条件及载荷加载如图1所示，网格划分如图2所示。

图1 螺母载荷加载示意

图2 螺母网格划分示意

（3）有限元分析结果 经计算有限元分析，结果如图3～图8所示。有限元分析结果对比见表5。

表5 有限元分析结果对比

图3 35钢疲劳结果

图5 35钢应力结果

图6 40Cr钢疲劳结果

图7 40Cr钢应变结果

图8 40Cr钢应力结果

由上述分析结果可知，螺母在经过60N·m扭矩载荷之下，35钢和40Cr钢之间应力应变结果相似且无明显区别，但由于35钢塑性优于40Cr钢，因此35钢疲劳系数相比40Cr钢数值更高，故由有限元分析数据可知，35钢和40Cr钢均可满足使用要求，但35钢相比40Cr钢在韧性上更有优势，更能满足在使用过程中的冲击性能要求，可提高产品的使用寿命。

4.2 材料热处理性能分析

采用材料性能分析软件Jmatpro分析35钢和40Cr钢热处理加热、冷却时晶粒大小与冷却组织，对结果说明如下。

1）35钢计算结果如图9～图12所示。

图9 35钢再奥氏体化晶粒大小

图10 35钢淬火回火组织相

图11 35钢淬火回火硬度

图12 35钢奥氏体连续冷却组织转变图

2）40Cr钢计算结果如图13～图16所示。

图13 40Cr钢再奥氏体化晶粒大小

图14 40Cr钢淬火回火组织相

图15 40Cr钢淬火回火硬度

图16 40Cr钢奥氏体连续冷却组织转变图

计算结果表明，35钢和40Cr钢经热处理后，晶粒大小为11μm，35钢和40Cr钢冷却组织均为马氏体，但由奥氏体连续冷却组织转变图可知，40Cr钢中受Cr元素的影响，奥氏体连续冷却组织转变图曲线向右移，淬透性优于35钢，故35钢的冷却组织较40Cr钢冷却组织会有部分铁素体和贝氏体的混合物。但根据硬度曲线可知，可以通过控制热处理参数来达到所要求的硬度要求。

5 实际检测结果

综上所述，为进一步验证35钢与40Cr钢作为螺母材料使用性能上的差异，对螺母产品进行心部硬度和金相组织试验验证，结果表明，35钢螺母与40Cr钢螺母硬度和金相组织结果相似，均满足需求。

（1）硬度检测对比 按照GB/T 3098.2—2015规定，使用维氏硬度计检测螺母心部和螺牙硬度，根据10级螺母标准要求，其硬度为295～353HV[8]，检测结果见表6。

表6 螺母与螺牙硬度对比 （HV）

由硬度检测结果可知，35钢和40Cr钢螺母均可满足标准10级技术要求。

（2）金相检测对比 35钢金相检测结果如图17所示，40Cr钢金相检测结果如图18所示。

图17 35钢螺母金相

图18 40Cr钢螺母金相

由图17、图18可知，35钢和40Cr钢螺母金相组织均为均匀分布的回火索氏体，热处理方式为淬火、回火，螺牙边缘无明显贫碳缺陷，两者均满足实际使用要求。

6 结束语

1）35钢和40C r钢螺母均可满足10级技术需求，但相比40Cr钢，35钢成本更低，有利于大批量生产。

2）经过有限元分析，35钢和40Cr钢螺母应力应变相当，使用结果无差别。但35钢相比40Cr钢耐疲劳性能更占优势，有利于提高螺母使用过程中的抗冲击性能，进而可提高其使用寿命。

3）经实物检测分析，35钢和40Cr钢螺母硬度、金相检测结果相近，均满足10级螺母使用要求。