拉鉚釘異常斷裂失效分析

王霞， 萬永， 代廣成， 李新榮

（眉山中車緊固件科技有限公司，四川眉山 620010）

0 引言

目前我國鐵路貨車及高鐵動車組的緊固件連接方式主要采用拉鉚釘進(jìn)行緊固連接。拉鉚釘為組合件，包括鉚釘和套環(huán)，連接時(shí)采用鉚槍將鉚釘拉斷，依靠鉚釘斷裂時(shí)產(chǎn)生的力量（即拉斷力）將套環(huán)擠壓變形，達(dá)到緊固連接的作用。拉斷力如果偏大，配套的鉚槍力量不足以將鉚釘拉斷，拉斷力如果偏小，鉚釘斷裂時(shí)產(chǎn)生的力量不足以將套環(huán)擠壓變形，達(dá)不到緊固連接的作用。鉚釘?shù)睦瓟嗔κ欠衲苓_(dá)到緊固連接的效果起至關(guān)重要的作用。

拉鉚釘在熱處理后進(jìn)行拉斷力檢測，在沒有達(dá)到斷裂最大拉伸力時(shí)，部分鉚釘已經(jīng)斷裂，觀察發(fā)現(xiàn)異常斷裂的鉚釘斷口截面有亮白色區(qū)域，為查清楚拉鉚釘?shù)臄嗔言颍瑢ζ溥M(jìn)行失效分析。

1 拉鉚釘斷裂時(shí)受力分析

拉鉚釘在進(jìn)行拉斷力檢測時(shí)，參照GB/T228中的《金屬拉伸試驗(yàn)方法》由工裝將試樣兩端夾住，在拉力試驗(yàn)機(jī)沿軸向力將拉鉚釘環(huán)槽部分拉斷，環(huán)槽斷裂所需的最大拉應(yīng)力為該鉚釘?shù)睦瓟嗔Α?/p>

對制造成型并熱處理之后的拉鉚釘試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)[1]，合格試樣拉伸斷裂最大力為147～153 kN，而不合格試樣拉伸斷裂最大力為54～120 kN。合格與不合格試樣拉伸力-時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1 不同試樣拉伸力-時(shí)間曲線

2 失效原因分析

2.1 化學(xué)成分分析

分別取拉斷力合格與不合格的鉚釘各1個(gè)，并將鉚釘用拉力試驗(yàn)機(jī)拉斷，取平行于斷裂截面、長度約為20 mm的試樣，在砂輪機(jī)上將截面打磨完全露出金屬基面。在電火花直讀光譜儀上對拉斷力合格與不合格的拉鉚釘試樣的化學(xué)成分進(jìn)行分析，如表1所示。

由表1可知，合格與不合格的拉鉚釘試樣的化學(xué)成分都符合GB/T 3077-1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對45Mn2鋼成分的要求，微量元素P、S的含量也低于優(yōu)質(zhì)鋼中對P、S元素的標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

表1 試樣化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.2 金相組織分析

將拉鉚釘用拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)拉斷，取平行于斷裂截面、長度約為20 mm的試樣，用水磨性砂輪機(jī)依次用200目砂紙、600目砂紙、1000目砂紙打磨，然后拋光，用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液腐蝕后，用電子金相顯微鏡觀察其組織形貌，圖2（a）、圖2（b）和圖2（c）、圖2（d）分別為合格與不合格的拉鉚釘試樣斷口從表層到心部的金相組織形貌。由圖2可知，合格與不合格的拉鉚釘試樣的金相組織均為回火索氏體，回火組織也比較均勻一致，與所用熱處理工藝獲得的該材料正常金相組織一致[3]，從金相組織上未看出兩種試樣的區(qū)別。

2.3 顯微硬度分析

圖2 不同試樣金相組織形貌

用線切割機(jī)床取平行于斷裂截面、長度為10 mm的試樣，打磨、拋光后用維氏硬度計(jì)沿著圓心方向從外表層到心部每隔1 mm測量其顯微硬度。合格與不合格拉鉚釘試樣的顯微硬度值如表2所示。由表2可知，合格與不合格拉鉚釘試樣從表層到心部的顯微硬度都未存在明顯差異，與所用熱處理工藝獲得的該材料正常硬度一樣。兩種試樣在顯微硬度上也沒有差異。

2.4 宏觀斷口形貌分析

將兩種鉚釘用拉力試驗(yàn)機(jī)拉斷，將試樣斷口置于掃描電鏡下觀察斷口宏觀形貌，并拍照。合格試樣宏觀斷口形貌如圖3所示，不合格試樣宏觀斷口形貌如圖4所示。

表2 顯微硬度值 HV

由圖3可以得到，合格試樣的斷裂由試樣心部萌生裂紋，逐漸向外擴(kuò)展直至斷裂，斷口心部呈現(xiàn)明顯的暗黑色放射狀形狀，較為平整，斷口邊緣為最后快速瞬斷區(qū)，表現(xiàn)出韌性斷裂的特征。由圖4可以得到，不合格試樣的斷裂亦是由試樣心部萌生裂紋，逐漸向外擴(kuò)展直至斷裂，斷口心部呈現(xiàn)亮白色的混亂區(qū)域，而且較為粗糙，端口邊緣為最后快速瞬斷區(qū)，表現(xiàn)出脆性斷裂的特征。

圖3 合格試樣宏觀斷口形貌

圖4 不合格試樣宏觀斷口形貌

觀察多個(gè)試樣斷口形貌，可以發(fā)現(xiàn)合格試樣斷口心部均為暗黑色放射狀形狀；而不合格試樣的斷口心部均有亮白色區(qū)域，且拉伸斷裂最大力越小，亮白色區(qū)域越大。即拉鉚釘試樣強(qiáng)度越低，亮白色區(qū)域越大。由此可知，合格試樣強(qiáng)度較高，表現(xiàn)為韌性斷裂；而不合格試樣強(qiáng)度較低，表現(xiàn)為脆性斷裂。

2.5 微觀斷口形貌分析

將試樣斷口置于掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，圖5、圖6分別為合格與不合格拉鉚釘試樣微觀斷口形貌。

由圖5（b）可知，心部有明顯的撕裂棱以及韌窩，分布均勻，呈現(xiàn)出較好的韌性斷裂特征；對于不合格試樣，由圖6（b）、圖6（f）可知，斷口心部沒有明顯撕裂棱，韌窩也不明顯，但解理面也不明顯，呈現(xiàn)出韌-脆混合斷裂特征。由圖5（a）、圖6（a）可知，合格試樣與不合格試樣斷口邊緣無明顯區(qū)別，均為正常拉伸斷口瞬斷區(qū)。由圖5（b）、圖6（b）、圖6（f）可知，在合格試樣斷口心部存在少量微孔，而在不合格試樣端口心部有大量微孔存在，圖5、圖6中箭頭所指即為微孔。圖5（c）、圖5（d）、圖5（e）為不合格試樣斷口中較大微孔的微觀形貌，可知不合格試樣中微孔大小不均勻。對圖6（e）中較大微孔中的雜物以及微孔周圍進(jìn)行能量色散譜（EDS）分析，矩形框1對應(yīng)圖7的圖譜1，矩形框2對應(yīng)圖8的圖譜2，沒有發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物，各元素含量均在正常范圍[7-10]。當(dāng)試樣在拉伸受力過程中，由心部開始萌生裂紋并擴(kuò)展，當(dāng)有少量微孔存在時(shí)，對微裂紋的擴(kuò)展無較大的影響，合格試樣仍表現(xiàn)為韌性斷裂；而當(dāng)微孔大量存在時(shí)，降低了材料的韌性與強(qiáng)度，增加了材料的脆性，且微孔越多，強(qiáng)度越低，在微孔處產(chǎn)生大量應(yīng)力集中，晶粒來不及發(fā)生變形，使得微裂紋快速擴(kuò)展連接加速試樣的斷裂，因此不合格試樣表現(xiàn)為脆性斷裂[11-12]。

圖5 合格試樣微觀斷口形貌

圖6 不合格試樣微觀斷口形貌

圖7 能量色散譜分析圖譜1

圖8 能量色散譜分析圖譜2

2.6 微孔分析

取平行于斷裂截面的試樣，打磨、拋光并觀察其微孔分布。合格與不合格試樣斷口心部微孔分布情況分別如圖9（a）、圖9（b）所示。

由圖9可知，在合格試樣心部存在少量的微孔且較均勻；而在不合格試樣心部存在大量的微孔，尺寸較大且不均勻，試樣強(qiáng)度降低[13]。此結(jié)果與試樣斷口形貌分析結(jié)果相符。

圖9 試樣微孔分布

3 斷裂原因分析

1）合格與不合格拉鉚釘試樣的材料成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)，二者金相組織與所使用熱處理工藝獲得的該材料正常金相組織一致，二者的硬度值大小及分布符合工藝要求。

2）合格試樣存在少量微孔，拉伸斷裂為韌性斷裂，不合格試樣存在大量微孔，拉伸斷裂為韌-脆混合斷裂。大量微孔的存在和聚集，降低了材料的韌性與強(qiáng)度，增加了材料的脆性，且微孔越多，強(qiáng)度越低，脆性越大。由于微孔和基體金屬的彈塑性存在較大差異，在做拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，微孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使微孔和金屬基體的界面出現(xiàn)微裂紋。隨著變形的不斷進(jìn)行，微裂紋不斷萌生并擴(kuò)展形成空洞，破壞了金屬基體的連續(xù)性，進(jìn)一步造成應(yīng)力集中[14]。

大量微孔的存在和聚集將降低拉鉚釘?shù)捻g性，對拉鉚釘拉伸時(shí)產(chǎn)生的危害極大，在拉鉚釘拉伸時(shí)，這些微孔可作為裂紋源，同時(shí)，這些微孔破壞了鋼基體的連續(xù)性，造成應(yīng)力集中[15]。一旦受到拉應(yīng)力或切應(yīng)力的作用，裂紋將在微孔處萌生，沿著微孔方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。因此大量微孔的存在造成脆性過大是拉鉚釘試樣異常斷裂的主要原因。

4 結(jié)論與措施

1）拉鉚釘在異常斷裂時(shí)具有脆性斷裂特征。拉鉚釘原材料中存在大量的微孔，大量微孔的存在和聚集，降低了原材料的的韌性與強(qiáng)度，增加了材料的脆性。在拉鉚釘斷裂時(shí)，裂紋沿著微孔處萌生，沿著微孔方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鉚釘異常斷裂。2）應(yīng)在材料入廠檢驗(yàn)方面加強(qiáng)管理和控制，細(xì)化原材料的抽樣方法和抽樣比例，增加原材料低倍組織的檢測項(xiàng)目。在橫向酸浸試片上檢驗(yàn)低倍組織時(shí)，不得有目視可見的縮孔、氣泡、分層、裂縫、夾雜、白點(diǎn)等缺陷。酸浸低倍組織中一般疏松、中心疏松和方形偏析應(yīng)各不大于2.5級[16]。防止低于國家執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的材料進(jìn)入生產(chǎn)工序，以避免出現(xiàn)不合格產(chǎn)品或降低產(chǎn)品質(zhì)量。