動車組夾鉗螺栓斷裂原因分析

祁永東， 王 慧， 劉海波， 王飛龍， 王安友

（1.浙江國檢檢測技術(shù)股份有限公司，浙江 海鹽 314300；2.寧波九龍緊固件制造有限公司，浙江 寧波 315205）

0 引言

螺栓作為可拆卸連接的帶螺紋緊固件廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)，螺栓生產(chǎn)工藝的每一環(huán)節(jié)對其質(zhì)量的影響至關(guān)重要，更與整個裝備或結(jié)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行密切相關(guān)[1]。近年來，由于我國制造業(yè)水平的大幅提高，對產(chǎn)品的可靠性也愈發(fā)重視，但每年由于螺栓產(chǎn)品質(zhì)量導(dǎo)致的事故仍然層出不窮，帶來較大經(jīng)濟(jì)損失的同時甚至危及人身安全。有研究者對近年來失效的螺栓進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)僅工程機(jī)械領(lǐng)域因過載導(dǎo)致的螺栓早期失效案例占總失效案例的12.2%[2]，其中因生產(chǎn)過程產(chǎn)生的缺陷導(dǎo)致局部強(qiáng)度不足的情況占相當(dāng)比重。作為較安全和可靠的螺栓頭部成型工藝，熱鐓工藝被廣泛用于高強(qiáng)度、較大規(guī)格螺栓的頭部成型工藝。但是，大部分廠家的熱鐓工序還是依靠操作人員來控制螺栓的加熱和始鍛溫度，這給批量生產(chǎn)的螺栓帶入人為因素造成的質(zhì)量隱患。

動車組制動夾鉗緊固螺栓在安裝過程中發(fā)生斷裂。斷裂螺栓材質(zhì)為40CrNiMo，規(guī)格為M16 mm×120 mm，性能等級為12.9級。螺栓生產(chǎn)工藝為：下料→粗加工→熱鐓頭部→熱處理（調(diào)質(zhì)處理）→滾絲→表面達(dá)克羅處理，其中熱鐓工藝采用中頻感應(yīng)加熱，并通過人工控制溫度的方式進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。

本研究采用掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡、電感耦合等離子光譜儀( ICP)等設(shè)備對螺栓斷裂件的化學(xué)成分、顯微組織、斷口形貌等進(jìn)行觀察和檢測，對螺栓斷裂的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的措施與建議。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

圖1為斷裂螺栓宏觀形貌，可見斷裂位于六角頭與光桿連接的過渡圓角部位，斷口附近未見明顯塑性變形。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of fracture bolt

1.2 斷口微觀觀察及能譜分析

斷口宏觀形貌如圖2所示。由圖2可見，斷面較平坦，存在明顯的兩部分區(qū)域，A區(qū)顏色光亮，B區(qū)顏色灰暗，斷口附近未見明顯塑性變形,。

圖2 失效螺栓斷口低倍形貌Fig.2 Macro-morphology of the failure bolt fracture

觀察斷口的微觀形貌（圖3），可見斷口A區(qū)存在明顯的覆蓋物，隱約可見晶粒輪廓且晶粒粗大，局部晶界加寬，且存在熔融痕跡[3-5]；斷口B 區(qū)存在明顯的高溫氧化物，經(jīng)能譜分析主要為Fe的氧化物（圖4），還可見明顯晶粒輪廓且晶粒粗大，局部晶界明顯加寬，局部可見卵形晶粒。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro-morphology of fracture

圖4 斷口能譜分析結(jié)果Fig.4 Results of energy spectrum analysis of the fault

1.3 金相組織檢查

對斷裂螺栓頭部斷口附近縱向取樣進(jìn)行金相組織檢查，采用飽和苦味酸溶液對拋光態(tài)試樣進(jìn)行腐蝕并觀察。圖5a為B區(qū)斷面附近的金相組織，可見螺栓熱處理前原奧氏體晶粒粗大，且局部晶界加寬，甚至熔化，局部熔化晶界在圓角處與表面連通，晶界可見明顯氧化物，原奧氏體晶粒內(nèi)部可見細(xì)小晶粒；圖5b 為遠(yuǎn)離斷口處的金相組織，可見晶粒細(xì)小，說明該螺栓過燒現(xiàn)象并非形成于熱處理過程，而是在螺栓熱鐓時產(chǎn)生的。

圖5 斷裂螺栓的金相組織Fig.5 Metallographic structure of broken bolt

1.4 化學(xué)成分分析

采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀對斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。其成分符合GB/T 3077—2015中40CrNiMo的元素含量要求。

表1 試樣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of the sample (mass fraction /%)

1.5 螺栓熱鐓試驗(yàn)

對斷裂螺栓同規(guī)格樣品的熱鐓工序進(jìn)行不同溫度的熱鐓試驗(yàn)，溫度分別為950、1050、1150、1250、1300、1350 ℃。圖6為不同熱鐓溫度試樣的金相組織?？梢姡?dāng)熱鐓溫度低于1250 ℃時，組織未出現(xiàn)過熱痕跡，晶粒均勻且細(xì)小；當(dāng)熱鐓溫度為1250 ℃時，組織存在明顯過熱，并伴有過燒傾向；當(dāng)溫度為1300、1350 ℃時，原奧氏體晶界明顯加寬，局部晶界可見熔化痕跡，組織存在明顯過燒現(xiàn)象。除此之外，觀察熱鐓試樣發(fā)現(xiàn)，過熱過燒痕跡集中于螺栓六角頭下圓角過渡區(qū)域附近。

圖6 不同熱鐓溫度試樣的金相組織Fig.6 Metallographic structure of samples at different thermal temperatures

2 分析與討論

檢測結(jié)果表明，螺栓斷裂位于六角頭下圓角過渡部位，斷口較為平坦，可見明顯的兩個區(qū)域，其中一個區(qū)域可見明顯的高溫氧化痕跡。斷面可見明顯的晶粒輪廓，且晶粒粗大，局部晶界可見熔化痕跡及卵形晶粒，為典型的過燒特征。對斷裂螺栓六角頭部斷口附近金相分析結(jié)果表明，螺栓六角頭下圓角附近原奧氏體晶界可見明顯氧化痕跡，說明有氧化性氣體滲入到晶間，造成晶界損傷，并且損傷晶界在圓角處與表面連通。斷口附近原奧氏體晶粒粗大，與斷面晶粒尺寸基本相吻合，在原奧氏體晶粒內(nèi)部可見細(xì)小晶粒。另外，如果該螺栓有調(diào)質(zhì)熱處理導(dǎo)致的組織過燒，則過燒組織不僅局限于六角頭下圓角附近。因此，六角頭下圓角附近區(qū)域過燒現(xiàn)象產(chǎn)生于調(diào)質(zhì)熱處理之前。根據(jù)螺栓生產(chǎn)工藝，該螺栓六角頭部采用中頻感應(yīng)加熱鐓成型，熱鐓溫度由人工通過加熱時間控制，工藝缺乏嚴(yán)格的控制。故推斷，熱鐓工序存在加熱溫度過高的情況，導(dǎo)致個別螺栓在六角頭部發(fā)生過燒。在較高溫度下，S、P等低熔點(diǎn)物質(zhì)首先在晶界發(fā)生偏聚，降低晶界熔點(diǎn)，晶界發(fā)生氧化和熔化，形成沿晶過燒裂紋[6-8]。過燒造成晶界熔化變寬，同時在晶界出現(xiàn)氧化物，降低晶界位置的強(qiáng)度，造成螺栓承載能力的下降[9-12]。因此，判斷螺栓失效模式為過燒引起的過載斷裂。

對同等規(guī)格螺栓進(jìn)行不同溫度熱鐓模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)熱鐓溫度高于1250 ℃時，出現(xiàn)過熱過燒現(xiàn)象，并且過熱過燒區(qū)域集中在螺栓頭下圓角附近。由于螺栓熱鐓過程在較大的沖擊力和剪切力作用下該區(qū)域容易形成絕熱剪切帶，絕熱剪切帶中熱量不易擴(kuò)散，當(dāng)熱鐓溫度控制不當(dāng)時，更容易在該部位產(chǎn)生過熱過燒[13]。

3 結(jié)論

1）螺栓斷裂位于螺栓六角頭部圓角部位，為鐓制成型過渡部位，失效模式為過燒引起的過載斷裂。

2）螺栓六角頭部圓角產(chǎn)生過燒的原因可能是由于人工通過加熱時間無法精準(zhǔn)控制熱鐓溫度。

3）建議通過紅外溫度監(jiān)控機(jī)械手精確控制熱鐓溫度，并通過生產(chǎn)試驗(yàn)、金相檢查進(jìn)行驗(yàn)證。