動(dòng)車組夾鉗螺栓斷裂原因分析
[摘要] 動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗緊固螺栓在安裝過(guò)程中發(fā)生斷裂。采用掃描電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、電感耦合等離子體光譜儀等對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行斷口形貌、顯微組織及化學(xué)成分檢測(cè)與分析。結(jié)果表明：斷裂螺栓化學(xué)成分、顯微組織均未見(jiàn)明顯異常；螺栓斷面可見(jiàn)明顯高溫氧化痕跡和粗大晶粒輪廓，且局部晶界熔化，在圓角處與表面連通；原奧氏體晶粒內(nèi)部和螺栓其他部位可見(jiàn)細(xì)小晶粒，結(jié)合螺栓制作工藝，可以推斷該螺栓在熱鐓過(guò)程中因加熱溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致局部過(guò)燒。通過(guò)不同溫度熱鐓試驗(yàn)，提出合理的工藝改進(jìn)建議。
[關(guān)鍵詞] 螺栓；過(guò)燒；斷裂；過(guò)載
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(duì)其質(zhì)量的影響至關(guān)重要，更與整個(gè)裝備或結(jié)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行密切相關(guān)[1]。近年來(lái)，由于我國(guó)制造業(yè)水平的大幅提高，對(duì)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(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)甚至危及人生安全。有研究者對(duì)近年來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)控制螺栓的加熱和始鍛溫度，這將會(huì)給批量生產(chǎn)的螺栓帶入人為因素造成的質(zhì)量隱患。
動(dòng)車組制動(dòng)夾鉗緊固螺栓在安裝過(guò)程中發(fā)生斷裂。斷裂螺栓材質(zhì)為40CrNiMo，規(guī)格為M16×120，性能等級(jí)為12.9級(jí)。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(guò)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(duì)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(cè)，對(duì)螺栓斷裂失效的原因進(jìn)行分析，并提出相關(guān)的措施與建議。
1 試驗(yàn)過(guò)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(jiàn)斷裂位于六角頭與光桿連接的過(guò)渡圓角部位，斷口附近未見(jiàn)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(jiàn)，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(jiàn)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
斷口A區(qū)微觀形貌見(jiàn)圖3。斷面存在明顯的覆蓋物，隱約可見(jiàn)晶粒輪廓且晶粒粗大，局部晶界加寬，且存在熔融痕跡[3-5]。圖4為B 區(qū)微觀形貌，可見(jiàn)斷面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5）；還可見(jiàn)明顯晶粒輪廓且晶粒粗大，局部晶界明顯加寬，局部可見(jiàn)卵形晶粒。
圖3 斷口A區(qū)微觀形貌
Fig.3 Micro-morphology of fracture area A
圖4 斷口B區(qū)微觀形貌
Fig.4 Micro-morphology of fracture area B
圖5 斷口能譜分析結(jié)果
Fig.5 Results of energy spectrum analysis of the fault
1.2 金相組織檢查
對(duì)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(duì)拋光態(tài)試樣進(jìn)行腐蝕并觀察，圖6為B區(qū)斷面附近的金相組織，可見(jiàn)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(jiàn)明顯氧化物，原奧氏體晶粒內(nèi)部可見(jiàn)細(xì)小晶粒。圖7 為遠(yuǎn)離斷口處的金相組織，可見(jiàn)晶粒細(xì)小，說(shuō)明該螺栓過(guò)燒現(xiàn)象并非形成于熱處理過(guò)程，而是在螺栓熱鐓時(shí)產(chǎn)生的。
圖6 斷面附近金相組織
Fig.6 Metallographic structure near the fracture surface
圖7 遠(yuǎn)離斷面處金相組織
Fig.7 Metallographic structure away from the section
1.3 化學(xué)成分分析
采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。符合GB/T3077—2015中40CrNiMo的元素含量要求。
1.4 螺栓熱鐓試驗(yàn)
對(duì)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8為不同熱鐓溫度試樣的金相組織?？梢?jiàn)，當(dāng)熱鐓溫度低于1250℃時(shí)，組織未出現(xiàn)過(guò)熱痕跡，晶粒均勻且細(xì)??；當(dāng)熱鐓溫度為1250℃時(shí)，組織存在明顯過(guò)熱，并伴有過(guò)燒傾向；當(dāng)溫度為1300、1350℃時(shí)，原奧氏體晶界明顯加寬，局部晶界可見(jiàn)熔化痕跡，組織存在明顯過(guò)燒現(xiàn)象。除此之外，觀察熱鐓試樣發(fā)現(xiàn)，過(guò)熱過(guò)燒痕跡集中于螺栓六角頭下圓角過(guò)渡區(qū)域附近。
2 分析與討論
檢測(cè)結(jié)果表明，螺栓斷裂位于六角頭下圓角過(guò)渡部位，斷口較為平坦，可見(jiàn)明顯的兩個(gè)區(qū)域，其中一個(gè)區(qū)域可見(jiàn)明顯的高溫氧化痕跡。斷面可見(jiàn)明顯的晶粒輪廓，且晶粒粗大，局部晶界可見(jiàn)熔化痕跡及卵形晶粒，為典型的過(guò)燒特征。對(duì)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(jiàn)明顯氧化痕跡，說(shuō)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(jiàn)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(guò)燒，則過(guò)燒組織不僅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(guò)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(guò)加熱時(shí)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(guò)高的情況，導(dǎo)致個(gè)別螺栓在六角頭部發(fā)生過(guò)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(guò)燒裂紋[6-8]。過(guò)燒造成晶界熔化變寬，同時(shí)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(guò)燒引起的過(guò)載斷裂。
對(duì)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(shí)，出現(xiàn)過(guò)熱過(guò)燒現(xiàn)象，并且過(guò)熱過(guò)燒區(qū)域集中在螺栓頭下圓角附近，有資料[13]表明，由于螺栓熱鐓過(guò)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(shí)，更容易在該部位產(chǎn)生過(guò)熱過(guò)燒。
3 結(jié)論與建議
1）螺栓斷裂位于螺栓六角頭部圓角部位，為鐓制成型過(guò)渡部位，失效模式為過(guò)燒引起的過(guò)載斷裂。
2）螺栓六角頭部圓角產(chǎn)生過(guò)燒的原因可能是由于人工通過(guò)加熱時(shí)間無(wú)法精準(zhǔn)控制熱鐓溫度。
3）建議通過(guò)紅外溫度監(jiān)控機(jī)械手精確控制熱鐓溫度，并通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)、金相檢查進(jìn)行驗(yàn)證。
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作者：祁永東，就職于浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，工程師，主要從事金屬制件理化檢測(cè)及失效分析方面的研究。
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