電力機(jī)車連接螺栓斷裂分析

陳凱敏，趙　宜，徐羅平（.南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 30；.中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 常州 30）

電力機(jī)車連接螺栓斷裂分析

陳凱敏1，趙宜2，徐羅平1
（1.南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011；
2.中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 常州 213011）

采用宏觀觀察、金相檢驗、成分分析、力學(xué)性能檢測及斷口分析對斷裂的連接螺栓進(jìn)行分析。結(jié)果表明:螺栓呈現(xiàn)脆性斷裂特征，裂紋源位于螺桿與六角頭過渡處，源區(qū)微觀特征為沿晶+準(zhǔn)解理，晶面上存在孔洞及撕裂棱，具有氫脆斷裂的特征，并且在螺桿與六角頭過渡處存在過度腐蝕的特征；螺栓斷裂的主要原因為酸洗過度導(dǎo)致過多的H滲入基體內(nèi)，在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和拉伸應(yīng)力共同作用下，發(fā)生氫致延遲斷裂。

連接螺栓；失效分析；氫致延遲斷裂

0　引言

酸洗一般是將工件浸入H2SO4等溶液，以除去金屬表面的氧化物等薄膜，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，是發(fā)黑、磷化、電鍍等工藝的前處理或中間處理工藝。雖然42CrMo螺栓酸洗是一門較為成熟的工藝，然而在實際生產(chǎn)中往往因操作規(guī)范執(zhí)行不到位致使酸洗工件出現(xiàn)問題，且往往是批次性失效，造成重大影響和質(zhì)量隱患。明確導(dǎo)致失效的具體參量，對提出針對性改進(jìn)措施具有重要作用。

電力機(jī)車連接輪對驅(qū)動電機(jī)與抱軸箱的連接螺栓在安裝完畢后發(fā)生螺栓六角頭斷裂現(xiàn)象，先后共有24件螺栓斷裂。部分是在安裝完畢并已做完振動試驗后自行斷裂脫落，部分是在出現(xiàn)事故后更換新螺栓時被發(fā)現(xiàn)，部分是在用列檢錘敲擊檢查時斷裂脫落。斷裂一般均發(fā)生在安裝后幾十h或幾d后。連接螺栓尺寸為M30 mm× 140 mm，性能等級為10.9級，采用材料為42CrMo。制造工序為:下料→鍛造六角頭→滾壓螺紋→熱處理→表面發(fā)黑→除氫。為查明斷裂原因，本研究選擇從斷裂脫落的螺栓六角頭以及更換卸下時未斷裂螺栓和同批次的未經(jīng)使用的螺栓進(jìn)行檢查分析，明確導(dǎo)致螺栓失效的工藝環(huán)節(jié)和參量。

1　試驗方法

1.1宏觀檢查

斷裂的連接螺栓形貌及斷口形貌如圖1、圖2所示，斷裂發(fā)生在螺桿與其六角頭連接處（R角過渡處，圖1箭頭所指處），整個斷口呈深灰色，斷口起伏較大，大部分外緣區(qū)域斷面呈瓷狀，近中部區(qū)域斷面呈纖維狀。整個斷口大致分為兩個區(qū)域:A區(qū)為裂紋源及擴(kuò)展區(qū)，裂紋由外表面萌生，存在多處裂紋源區(qū)域，這些裂紋沿與徑向平面約呈30°朝六角頭方向的螺栓中部區(qū)域擴(kuò)展，帶有一定的弧形，形成多個裂紋面，裂紋面上可見明顯的放射條紋，具有棘輪狀扭轉(zhuǎn)脆性斷裂的宏觀特征；B區(qū)為螺栓中部區(qū)域，呈現(xiàn)纖維狀斷裂特征（圖2）。

圖1　螺栓形貌及斷裂部位Fig.1　Morphology of bolt and fracture position

圖2　螺栓斷口宏觀形貌Fig.2　Macro morphology of bolt fracture surface

1.2微觀形貌檢查

斷裂的連接螺栓斷口微觀形貌如圖3所示?？梢姡砻媪鸭y源的A區(qū)域為沿晶+準(zhǔn)解理斷裂特征，并有較多的二次裂紋，沿晶斷裂面上存在微小孔洞和撕裂棱，具有氫脆斷裂的微觀特征，B區(qū)域為韌窩+準(zhǔn)解理，表明塑性較好。

圖3　螺栓斷口微觀形貌Fig.3　Micro morphology of bolt fracture surface

1.3化學(xué)成分分析

從斷裂螺栓上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可知螺栓化學(xué)成分滿足相關(guān)技術(shù)要求。

1.4力學(xué)性能檢查

從同批次的未經(jīng)使用的螺栓取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果見表2，由結(jié)果可知螺栓的力學(xué)性能符合規(guī)范要求。

1.5金相檢查

在斷裂的連接螺栓上取樣進(jìn)行金相檢查，非金屬夾雜物級別為:A1.5、D2；試樣腐蝕后組織形貌如圖4所示，螺栓的螺桿與其六角頭連接處（R角過渡處）表面半脫碳層深度約為0.02 mm，未見全脫碳層，符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求（要求全脫碳層小于0.015 mm）。螺栓金相組織為回火索氏體，晶粒度為8級。

表1　螺栓化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1　Chemical component of bolt（mass fraction/%）

表2　螺栓力學(xué)性能Table 2　Mechanical Properties of bolt

圖4　R角過渡處表面脫碳層Fig.4　Surface decarburized layer at the transitional region of R angle

從同批次未斷裂的螺栓取六角頭部位沿中心軸線剖開，制備金相試樣觀察R角過渡處，發(fā)現(xiàn)該螺栓在R角過渡處已萌生裂紋，裂紋最深處可達(dá)2 mm，呈沿晶擴(kuò)展，并具有氫脆裂紋形成時的鋸齒狀特征［1-3］（圖5）；在該試樣的另一邊R角過渡處，發(fā)現(xiàn)裂紋由細(xì)小腐蝕坑坑底萌生，腐蝕坑坑底的灰色物可能為發(fā)黑時產(chǎn)生氧化層，按螺栓制造工序分析，腐蝕坑應(yīng)在發(fā)黑之前已產(chǎn)生，是由于過度酸洗造成（圖6）。對斷裂的螺栓進(jìn)行金相檢查后也發(fā)現(xiàn)了腐蝕坑的存在（圖7）。

2　斷裂原因分析

螺栓的化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測結(jié)果均符合相關(guān)技術(shù)要求，基體組織為回火索氏體，晶粒度為8級，為正常熱處理組織，表明該批次螺栓熱處理工藝正常。

圖5　鋸齒形裂紋Fig.5　Zigzag crack

螺栓斷裂均發(fā)生在安裝后幾十h或幾d后，屬延遲斷裂［4-6］。裂紋由螺栓的螺桿與其六角頭連接處（R角過渡處）表面萌生，存在多處裂紋源，這些裂紋沿與徑向平面約呈30°朝六角頭方向的螺栓中部區(qū)域擴(kuò)展，帶有一定的弧形，形成多個裂紋面，裂紋面上可見明顯的放射條紋，具有棘輪狀脆性斷裂的宏觀特征。說明螺栓是在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和拉伸應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生斷裂的。近表面裂紋源區(qū)域微觀特征為沿晶+準(zhǔn)解理斷裂特征，并有較多的二次裂紋，斷裂晶面上存在微小孔洞和撕裂棱，具有氫脆斷裂的微觀特征［2-3］。

圖6　裂紋由細(xì)小腐蝕坑坑底萌生Fig.6　Crack initiation from etching pits

圖7　斷裂螺栓R角表面的腐蝕坑Fig.7　Etch pits at R angle surface of the bolt

斷裂的螺栓及安裝后更換卸下時未斷裂螺栓的螺桿與其六角頭連接處（R角過渡處）表面存在裂紋，部分裂紋由腐蝕坑底萌生，并具有氫脆裂紋形成時的鋸齒狀及沿晶擴(kuò)展特征［2-3］，且斷面特征也證實裂紋形成與氫脆有關(guān)。從整體制造工序來看，易發(fā)生氫脆的環(huán)節(jié)為發(fā)黑處理。在對酸洗工序調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，酸液濃度控制未能按照規(guī)范進(jìn)行，溫度控制較為準(zhǔn)確，酸洗時間未能按照規(guī)范進(jìn)行控制。酸洗工序的混亂是造成工藝控制不當(dāng)?shù)闹饕?，并致使該批次螺栓全部報廢。

在酸洗過程中，酸洗液中酸分解后會產(chǎn)生H-，H-成為吸附在鋼鐵表面的H，2個吸附H原子可以復(fù)合成H2分子而逸出。由于H原子具有最小的原子半徑，容易在鋼等金屬中擴(kuò)散，部分H原子越過金屬表面，并擴(kuò)散進(jìn)入金屬的晶格，在應(yīng)力集中處或缺陷處富集，同樣復(fù)合成氫分子，并逐步增大壓強(qiáng)，在鋼鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成裂縫，降低其強(qiáng)度，甚至破裂［7］。

該批次螺栓由于酸洗工藝的不當(dāng)造成過度酸洗致使螺栓吸附大量的H，雖然表面處理后有除氫工序，但由于酸洗環(huán)節(jié)時間過長，后續(xù)的除氫工序未能有效降低H含量，并在較高的扭轉(zhuǎn)及拉伸應(yīng)力作用下，滲入螺栓的H在該部位經(jīng)過一段孕育期，當(dāng)應(yīng)力集中處的H含量達(dá)到一個臨界值時，在應(yīng)力和H的共同作用下發(fā)生斷裂［8］。

3　結(jié)論

1）螺栓的斷裂與材質(zhì)及熱處理工藝無關(guān)。

2）螺栓的斷裂原因為酸洗不當(dāng)致使螺桿與六角頭連接處產(chǎn)生細(xì)小腐蝕坑，并引起螺栓表面吸氫，在扭轉(zhuǎn)和拉伸應(yīng)力作用發(fā)生氫致延遲性斷裂。

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Fracture Analysis of Connecting Bolt of Electric Locomotive

CHEN Kai-min1，ZHAO Yi2，XU Luo-ping1
（1.CSR Qishuyan Locomotive Vehicle Fechnology Institude Co.，Ltd.，Jiangsu Changzhou 213011，China；2.Zenth Steel Group Co.，Ltd.，Jiangsu Changzhou 213011，China）

Failure analysis on a connecting bolt of electric locomotive was carried out by macro and micro observation，chemical composition analysis，properties testing and microstructure examination.The results show that the bolt presented the feature of brittle fracture.The crack source was located at the transitional region between screw and hexagon head.Intergranular and quasicleavage fracture feature was found at the source region of the fracture surface，and there were some holes and tearing ridges at the grain boundary surface.These characteristics are the same as those of hydrogen brittleness fracture.In addition，there existed excessive corrosion at the transitional region between screw and hexagon head.Excessive acid pickling caused hydrogen to permeate into the matrix of the bolt.As a result，hydrogen induced delay rupture occurred to the bolt under the coeffect of torsion stress and tensile stress.

connecting bolt；failure analysis；hydrogen induced delay rupture

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.01.007

1673-6214（2016）01-0033-04

2015年10月30日

2016年1月10日

陳凱敏（1981年-），男，碩士，高級工程師，主要從事金屬零件的失效分析等方面的研究。