高速列車1Cr17Ni2制動杠桿螺栓沿晶開裂機(jī)理研究

高　祥，劉寶安，劉潁賓，張振軍，張　鵬，王　強(qiáng),*，張哲峰

(1.中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2.中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110016)

0　引言

隨著高速列車運(yùn)行速度的提升，其安全性也越來越受到關(guān)注。由于列車運(yùn)行速度越高，其制動越困難，制動距離越長，由制動杠桿螺栓構(gòu)成的制動系統(tǒng)在保障高速列車安全運(yùn)行方面發(fā)揮重要作用。制動杠桿螺栓是高速列車盤形制動系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)件，在服役過程中常常受到四點(diǎn)彎曲應(yīng)力及剪切應(yīng)力的作用，一旦開裂將會影響列車的制動性能，可能導(dǎo)致在關(guān)鍵時刻制動失效，進(jìn)而帶來災(zāi)難性后果；因此，它是保障高速列車安全運(yùn)行的最后一道屏障。

高速列車上用的制動杠桿螺栓主要采用1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼制造。這種不銹鋼的特點(diǎn)是在保留鐵素體不銹鋼耐蝕性的同時，又具有馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度[1]。常以軸、銷、螺栓等形式廣泛地應(yīng)用在大型機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件上。1Cr17Ni2鋼對回火脆性較為敏感，即使是在國標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)化學(xué)成分的微小波動即可對顯微組織和性能帶來較大的影響[2]。劉曉琴等[3]對某動車組上開裂的杠桿螺栓進(jìn)行了失效分析，發(fā)現(xiàn)螺栓材料內(nèi)部的夾雜物引起了熱處理裂紋，導(dǎo)致制動杠桿螺栓在服役過程中發(fā)生低周疲勞開裂；劉德林等[4]對直升機(jī)起落架上出現(xiàn)裂紋的1Cr17Ni2不銹鋼鎖緊螺母進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)開裂原因是鎖緊螺母進(jìn)行熱處理時回火溫度選擇不當(dāng)，導(dǎo)致其產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕敏感性，在Cl-和S2-共同作用下發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂；劉文斌等[5]對1Cr17Ni2鋼制單項(xiàng)活門開裂原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明熱處理溫度選擇不當(dāng)導(dǎo)致材料產(chǎn)生回火脆性，使零件在使用時抗沖擊能力大大降低，并且發(fā)生了沿晶開裂。綜上所述，采用1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼制造的零件很容易在熱處理過程中因溫度控制不當(dāng)而出現(xiàn)回火脆性，但是關(guān)于制動杠桿螺栓脆性開裂機(jī)制報(bào)道仍然很少，有待進(jìn)一步深入研究，降低類似構(gòu)件發(fā)生開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

本文主要研究高速列車用1Cr17Ni2高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼制動杠桿螺栓在服役過程中發(fā)生開裂的機(jī)理，以期能為高速列車制動杠桿螺栓的選材和制造工藝的改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)，保障高速列車的安全運(yùn)行。

1　試驗(yàn)材料與方法

選取1只在服役過程中發(fā)生延遲開裂的1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼制動杠桿螺栓作為研究對象。該螺栓行駛里程超過47萬km，其化學(xué)成分見表1。

制動杠桿螺栓服役時在高速列車制動系統(tǒng)中的位置如圖1所示(黃色箭頭所指)，列車緊急剎車時，螺栓受到的是四點(diǎn)彎曲應(yīng)力及剪切應(yīng)力的共同作用。

表1　失效制動杠桿螺栓的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1　Chemical composition of the failed brake lever bolt (mass fraction /%)

圖1　螺栓在列車盤形制動系統(tǒng)中的服役位置Fig.1　　　　Service position of the bolt in the disc braking system of the high-speed train

金相試樣在制動杠桿螺栓裂紋附近采用電火花線切割切取。金相腐蝕劑采用35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的FeCl3溶液，在Olympus OLS4000激光共聚焦3D顯微鏡上觀察樣品的微觀組織結(jié)構(gòu)。采用SUPRA35掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀組織、裂紋及裂紋斷口形貌，并用EDS能譜儀分析斷口上腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分。透射樣品采用化學(xué)雙噴減薄法制備，用FEI Tecnai F20透射電子顯微鏡觀察樣品的晶界形貌，并用附帶的能譜儀對晶界附近的元素進(jìn)行化學(xué)成分分析。

沿螺栓長度方向切取拉伸和沖擊樣品進(jìn)行力學(xué)性能測試和分析。拉伸試驗(yàn)依據(jù)GB/T 228.1—2010，在Instron 8801試驗(yàn)機(jī)上完成，應(yīng)變速率為1.0×10-3/s，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，采用標(biāo)準(zhǔn)比例的矩形試樣，尺寸為3 mm×10 mm×56 mm；沖擊試驗(yàn)依據(jù)GB/T 229—2007，在ZBC2452-C夏比沖擊試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)溫度為室溫，采用V型缺口試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。

為了驗(yàn)證熱處理對螺栓沖擊性能的影響，從制動杠桿螺栓上切取尺寸為φ32 mm×60 mm的樣品進(jìn)行回火熱處理?；鼗馃崽幚砩郎厮俾蕿? ℃/min，溫度升至620 ℃保溫1 h，隨后空冷至室溫。并將熱處理后的試樣加工成與前述尺寸大小相同的樣品，在相同條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。采用掃描電鏡對熱處理前后的拉伸斷口和沖擊斷口進(jìn)行觀察分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1　幾何尺寸測量

制動杠桿螺栓由螺頭、螺桿和螺紋3部分構(gòu)成。螺栓總長為310 mm，其中螺桿部分的長度為270 mm。為了便于分析和描述，根據(jù)制動杠桿螺栓服役后表面留下的痕跡可將螺栓螺桿部分分成7段，具體劃分結(jié)果如圖2所示。在實(shí)際服役過程中，螺栓的受力狀態(tài)呈對稱分布，因而采用相同的字母對各對稱段進(jìn)行標(biāo)注，并以右下角數(shù)字加以區(qū)分。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，螺栓螺桿部分的直徑在2處存在輕微變化。為了呈現(xiàn)出直徑的變化規(guī)律，沿螺栓長度方向取16個點(diǎn)，測出各處的直徑大小，繪制出螺栓螺桿直徑的變化曲線，如圖3所示。由測試結(jié)果可知，螺栓螺桿部分C段的直徑約為32.0 mm，C段兩端的直徑約為32.7 mm，直徑的漸變區(qū)位于B-C、B1-C1兩區(qū)域內(nèi)。

圖2　制動杠桿螺栓宏觀形貌和各區(qū)段劃分Fig.2　Macroscopic characteristics of the brake lever blot and division of the blot surface

通過著色探傷發(fā)現(xiàn)，在螺栓的螺桿上有1處裂紋，裂紋環(huán)繞螺桿近半周。為了確定裂紋的位置，沿螺桿的周向在裂紋上分散性地選取13個點(diǎn)，以這些點(diǎn)距螺桿左端的距離為橫坐標(biāo)，在螺栓表面上選一條平行于軸線的直線，以所選點(diǎn)沿螺栓表面距該線的距離為縱坐標(biāo)，將裂紋在螺栓上的位置繪制于圖3中。由圖可知，螺栓的裂紋在距螺桿左端6.7～6.8 mm處，而該處正好在B-C區(qū)上，即螺桿直徑的漸變區(qū)。

圖3　螺栓螺桿直徑和裂紋位置Fig.3　Diameter measurement of the bolt and position of the crack

2.2　斷口形貌分析

在萬能液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上采用三點(diǎn)彎曲方法將制動杠桿螺栓斷口打開，斷口宏觀形貌如圖4a～圖4c所示。根據(jù)斷口表面的顏色，可將斷口分為A、B、C3個區(qū)域(圖4a)。A區(qū)為很小的腐蝕區(qū)，該區(qū)表面與軸向夾角呈45°；B區(qū)為面積較大的腐蝕區(qū)，該區(qū)靠近試樣表面處顏色呈灰褐色，靠近心部顏色呈黑色，且表面比較粗糙，有多處開裂臺階；C區(qū)為斷口表面呈亮白色、有金屬光澤的區(qū)域，其表面平坦，通過肉眼觀察未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形。圖4d為裂紋向心部擴(kuò)展的路徑，可知裂紋擴(kuò)展路徑?jīng)]有分叉。

圖5a、圖5b是未腐蝕區(qū)斷口形貌，該區(qū)斷口為典型的沿晶斷口，部分晶粒上存在少量韌窩。圖5c、圖5d是腐蝕區(qū)斷口形貌，該區(qū)斷口同樣為典型的“冰糖狀”沿晶斷口，斷口表面覆蓋著腐蝕產(chǎn)物，局部呈現(xiàn)出輕微的塑性變形特征。

采用EDS能譜分析腐蝕區(qū)斷口(B區(qū))、未腐蝕區(qū)斷口(C區(qū))以及螺栓表面的化學(xué)成分，結(jié)果如圖6、表2所示。在斷口腐蝕區(qū)中，腐蝕產(chǎn)物中Cr含量遠(yuǎn)低于平均值，出現(xiàn)大量的O元素，但未發(fā)現(xiàn)其他元素；斷口未腐蝕區(qū)的主要合金元素為Cr，其含量為17.33%，略高于基體的平均含量16.27%；螺栓表面Cr含量約為15.09%，略低于基體平均含量。

圖4　螺栓開裂處斷口宏觀形貌Fig.4　Macroscopic morphologies of fracture surface

圖5　螺栓開裂處斷口微觀形貌Fig.5　Microscopic morphologies of fracture surface

2.3　力學(xué)性能分析

對回火前后的螺栓材料分別進(jìn)行拉伸性能和沖擊性能測試，圖7為螺栓材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表3、表4分別列出了拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)結(jié)果。

表2　EDS能譜分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 2　EDS analysis results (mass fraction /%)

圖6　EDS能譜分析選區(qū)位置Fig.6　EDS analysis areas

圖7　熱處理前后試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比Fig.7　　　　Comparison of the tensile stress-strain curves between before tempering and after tempering

拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，熱處理前試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均符合GB/T 1220—2007對該材質(zhì)

的要求；但試樣的沖擊功極低，僅為4.79 J，與曹志遠(yuǎn)[6]研究的1Cr17Ni2不銹鋼經(jīng)過不同回火熱處理后進(jìn)行V型沖擊試驗(yàn)的沖擊功相比，數(shù)值相差很大，熱處理后試樣的抗拉強(qiáng)度均值為1 035 MPa，降低了100 MPa，屈服強(qiáng)度均值有所增大，平均延伸率幾乎不變，但試樣的沖擊功顯著增加，約為熱處理前的2倍。

熱處理前后的拉伸斷口和沖擊斷口的掃描圖像如圖8所示。由圖8a、圖8b可見，熱處理前后的拉伸斷口均為穿晶斷口，但熱處理后的斷口上二次裂紋數(shù)量減少；由圖8c、圖8d可觀察到，熱處理前后的沖擊斷口均為沿晶斷口，都存在少量的沿晶二次裂紋，但熱處理前后的斷口形貌沒有明顯差異。

表3　拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖8　熱處理前后的拉伸斷口和沖擊斷口形貌Fig.8　Tensile fracture surface and impact fracture surface表4　夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 4　Impact testing results

J

2.4　微觀組織表征

圖9是制動杠桿螺栓的微觀組織，由圖可見，金相組織為回火索氏體，晶粒大小較均勻。

圖9　螺栓用1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼微觀組織Fig.9　Microstructure of 1Cr17Ni2 martensitic stainless steel

沖擊試驗(yàn)樣品的斷口和服役環(huán)境下螺栓的開裂斷口均為典型的沿晶斷口，這說明晶界比較薄弱。為了進(jìn)一步呈現(xiàn)材料晶界的微觀特征，采用TEM觀察螺栓材質(zhì)的晶界形貌，同時采用TEM附帶的EDS能譜對晶界處第二相的化學(xué)成分進(jìn)行線掃描分析。

如圖10所示，晶界處第二相顆粒呈現(xiàn)“串珠狀”分布，單個第二相顆粒長度約為100 nm，這表明第二相顆粒尺寸很小。由線掃描曲線的峰值變化可以看出，Cr元素含量在晶界處達(dá)到峰值的同時，F(xiàn)e元素的含量降至低谷，可見該螺栓在晶界處存在Cr元素偏聚。將圖10中晶界上呈不規(guī)則形狀的第二相粒子放大并對其進(jìn)行電子衍射分析，分析位置及圖譜如圖11所示。經(jīng)標(biāo)定該第二相粒子為面心立方結(jié)構(gòu)，不屬于該材質(zhì)中常見的碳化物(Cr23C6、Cr7C3或Cr3C2)中的任何一種，但它的存在嚴(yán)重降低了晶界強(qiáng)度，使裂紋優(yōu)先沿晶界擴(kuò)展。根據(jù)晶界處元素成分推測，晶界上“串珠狀”第二相粒子為Cr元素偏析的產(chǎn)物。

3　討論與分析

沿晶開裂是一種常見的失效形式，根據(jù)制動杠桿螺栓裂紋斷口的形貌特征可以判斷，螺栓的開裂為脆性沿晶開裂。一般情況下，由于晶界附近合金元素的濃度高于晶內(nèi)，使得大多數(shù)金屬晶界處的結(jié)合力大于晶粒內(nèi)的結(jié)合力，因而晶界處的強(qiáng)度通常高于晶粒內(nèi)部。因此，裂紋優(yōu)先在晶內(nèi)形核，并向晶界擴(kuò)展，發(fā)生穿晶開裂。然而，如果熱處理不當(dāng)或環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)等因素使晶界被弱化，在受力開裂時，裂紋沿晶界擴(kuò)展比穿晶擴(kuò)展吸收能量更少，晶界將成為裂紋擴(kuò)展的優(yōu)先通道，材料將發(fā)生沿晶開裂而不是穿晶開裂。

圖10　能譜分析線掃描位置及成分Fig.10　Line scanning positions and results

以往的研究中，研究人員采用俄歇能譜分析已確切證明低合金鋼的高溫回火脆性是鋼中P、Sb、Sn、As等雜質(zhì)在奧氏體晶界的偏析所導(dǎo)致，其他合金元素如Ni、Cr、Mn、Mo等也產(chǎn)生偏析，但有的導(dǎo)致晶界脆化，有的不導(dǎo)致晶界脆化[7]。本研究中螺栓沖擊功極低，可推測該螺栓的沿晶開裂與回火引起的合金元素Cr在晶界偏聚并形成第二相含Cr粒子有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]對該螺栓制造工藝的報(bào)導(dǎo)，以及文獻(xiàn)[9]中1Cr17Ni2不銹鋼沖擊韌性、抗拉強(qiáng)度與回火溫度的關(guān)系圖可知，該螺栓進(jìn)行的是高溫回火，產(chǎn)生的回火脆性屬于第二類回火脆性。根據(jù)第二類回火脆性的可逆性，在620 ℃下，對從該螺栓上切取的部分材料保溫1 h后空冷發(fā)現(xiàn)，其沖擊韌性有了很明顯的提高，驗(yàn)證了該螺栓第二類回火脆性的存在。用TEM附帶的能譜儀對螺栓原材料晶界附近的元素進(jìn)行線掃描發(fā)現(xiàn)，晶界處普遍存在Cr元素的大量偏聚，且生成了含Cr的弱化晶界第二相未知粒子，進(jìn)一步證明了該螺栓的沿晶開裂與第二類回火脆性有關(guān)。

圖11　電子衍射位置及衍射斑點(diǎn)Fig.11　Electron diffraction position and diffraction spots

事實(shí)上，僅有第二類回火脆性這個因素并不能決定該螺栓的開裂一定是沿晶開裂。因?yàn)樵趯哂谢鼗鸫嘈缘脑嚇舆M(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，拉伸試樣的開裂仍屬于穿晶開裂，而該螺栓在服役環(huán)境和沖擊試驗(yàn)條件下的開裂方式均為沿晶開裂，這表明應(yīng)力狀態(tài)也影響著螺栓的開裂方式。拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)及螺栓服役環(huán)境在應(yīng)力狀態(tài)上的主要區(qū)別在于應(yīng)變速率的不同。本研究中，拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變速率很低，而沖擊試驗(yàn)的應(yīng)變速率很高，服役環(huán)境下的螺栓斷口是典型的沿晶斷口，同沖擊試樣的斷裂形式一樣，這說明服役環(huán)境下螺栓受到的是具有較高應(yīng)變速率的外力作用，加上螺栓本身第二類回火脆性的存在，最終發(fā)生了沿晶開裂。

文獻(xiàn)[7]研究了裂紋尖端塑性區(qū)尺寸與開裂形式的關(guān)系。塑性區(qū)尺寸表達(dá)式為：

(1)

式中：ry是塑性區(qū)尺寸；Kmax是斷裂韌度；σys是屈服應(yīng)力。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，ry/d(塑性區(qū)尺寸與晶粒直徑之比)越小，穿晶開裂趨勢越小，沿晶開裂趨勢越大。這是因?yàn)楫?dāng)ry/d減小到一定值時，相鄰晶粒內(nèi)的位錯源不能開動，位錯大量塞積在晶界上，產(chǎn)生應(yīng)力集中，出現(xiàn)沿晶開裂。一般情況下，鋼的屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的增大而升高[10-14]。結(jié)合式(1)可知，對同一種材料(d、Kmax是常數(shù))來說，應(yīng)變速率越大，ry/d值越小，穿晶開裂趨勢越小，沿晶開裂趨勢越大。沖擊試驗(yàn)下的應(yīng)變速率大于靜態(tài)拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變速率，則沖擊試驗(yàn)下的ry1/d比靜態(tài)拉伸試驗(yàn)的ry2/d小。因此，1Cr17Ni2鋼在沖擊試驗(yàn)中發(fā)生了沿晶開裂，而在靜態(tài)拉伸試驗(yàn)中發(fā)生了穿晶開裂。結(jié)合列車在剎車時，螺栓的受力情況及螺栓裂紋處的沿晶斷口可推測，該螺栓在服役條件下，外力驅(qū)動下產(chǎn)生的應(yīng)變速率也將明顯大于靜態(tài)拉伸時的應(yīng)變速率。

綜上所述，該螺栓發(fā)生沿晶開裂失效的原因是：1)螺栓在熱處理過程中產(chǎn)生了第二類回火脆性，Cr元素向晶界偏聚的同時，在晶界上析出了“串珠狀”的含鉻第二相粒子，導(dǎo)致晶界弱化，晶界強(qiáng)度下降；2)螺栓在服役過程中，雖不是一直處于受力狀態(tài)，但剎車瞬間將受到使制動杠桿螺栓產(chǎn)生較大應(yīng)變速率的外力作用，被弱化的晶界不足以抵抗外應(yīng)力的作用，最終發(fā)生了脆性沿晶開裂。裂紋擴(kuò)展之處伴隨的腐蝕現(xiàn)象是裂紋產(chǎn)生后，空氣中的水汽在裂紋內(nèi)聚集，使裂紋內(nèi)發(fā)生了縫隙腐蝕的結(jié)果。

4　結(jié)論

1)制動杠桿螺栓的沿晶開裂是在第二類回火脆性引起Cr元素在晶界偏聚并生成“串珠狀”含Cr第二相粒子，使晶界弱化的基礎(chǔ)上，配合以具有較大應(yīng)變速率的外力最終使螺栓發(fā)生了沿晶開裂；當(dāng)外力產(chǎn)生的應(yīng)變速率較小時，該螺栓將發(fā)生穿晶開裂。

2)螺栓開裂的位置位于直徑發(fā)生變化的微小區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力集中在螺栓開裂中也扮演了重要角色。在對螺栓進(jìn)行設(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)保持螺栓直徑均勻，以避免產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力。

3)1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼對回火脆性非常敏感，在對其進(jìn)行回火熱處理時，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇并嚴(yán)格控制回火溫度和冷卻速率，以抑制Cr元素的偏聚和含Cr第二相粒子的沿晶析出，從而獲得良好的強(qiáng)度與韌性的匹配效果，提高制動杠桿螺栓的服役性能和使用壽命，避免沿晶開裂失效。

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