制動杠桿螺栓的斷裂原因

(中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，北京 100081)

0 引 言

制動杠桿螺栓是機車制動夾鉗單元的一個轉動連接件，也是夾鉗單元中制造工藝復雜且加工難度較高的一個關鍵零件。隨著我國對國外機車車輛制造技術的引進與吸收，機車制動系統零部件開始進入國產化的發展進程，其中國產制動杠桿螺栓已投入了實際應用。2013年3月，在對某機車車輛段的機車進行檢修的過程中發現，和諧號機車制動夾鉗單元中的一根杠桿螺栓發生斷裂。經確認該螺栓為國產螺栓，生產于2010年7月，螺栓桿直徑為33 mm，長度為300 mm，其材料為1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼，熱處理工藝為調質熱處理，該螺栓已在HXD1型機車上批量使用。根據設計要求，螺栓經調質熱處理后的抗拉強度應不低于900 MPa，與螺栓套接觸部位的表面硬度應達到45～51 HRC。為了找到螺栓斷裂的原因，并為該螺栓的國產化生產及工藝優化提供依據，作者對該制動杠桿螺栓進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the fractured bolt

1.1 宏觀形貌

制動螺栓與螺栓套的接觸部位如圖1中所示a，b區域。由圖1可以看出，該螺栓斷裂的位置位于a區域外側。

1.2 化學成分

在斷裂螺栓較長的一端距離斷裂位置約30 mm處截取平面尺寸為20 mm×20 mm的試樣，采用OBLF QSN750型直讀光譜儀測化學成分，結果如表1所示。由表1可知，斷裂螺栓的化學成分滿足GB/T 1220-2007中有關1Cr17Ni2鋼的成分要求。

表1 斷裂螺栓的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of the fractured bolt (mass) %

1.3 力學性能

按照GB/T 228.1-2002，在斷裂螺栓較長的一端上截取規格為φ20 mm的拉伸試樣，采用E45.605型電子萬能試驗機測室溫拉伸性能；按照GB/T 229-2007，在斷裂螺栓較長的一端上截取平面尺寸10 mm×10 mm的U型缺口沖擊試樣，在ZBC 2302-C型擺錘式沖擊試驗機上測室溫沖擊功。由表2可知，斷裂螺栓的力學性能滿足GB/T 1220-2007的要求。

表2 斷裂螺栓的力學性能Table 2 Mechanical properties of the fractured bolt

1.4 顯微組織

在距離螺栓斷裂處10 mm的位置截取與螺栓同截面、長度為20 mm的金相試樣，經研磨、拋光后采用OLYMPUS DSX100型光學顯微鏡觀察夾雜物形貌。由圖2結合GB/T 10561-2005可知，斷裂螺栓中存在較為嚴重的B類和C類夾雜物，級別分別為2.5級和3級，超過標準規定的等級。

圖2 斷裂螺栓中的夾雜物形貌Fig.2 Morphology of inclusions in the fractured bolt: (a) class Binclusions and (b) class C inclusions

將上述拋光后的金相試樣用由1 g苦味酸、5 mL鹽酸和100 mL酒精組成的溶液腐蝕后，觀察其顯微組織。由圖3可知：斷裂螺栓表面的組織為回火馬氏體和沿軋制方向分布的帶狀鐵素體；心部組織由回火索氏體、夾雜物和晶界析出物組成。

圖3 斷裂螺栓的顯微組織Fig.3 Microstructures of the fractured bolt: (a) surface and (b) core

1.5 斷口形貌

采用光學顯微鏡觀察斷口形貌，由圖4可以看出：斷裂螺栓斷口A區域顏色較深，為裂紋擴展區，有氧化現象，B區域顏色較淺，為瞬斷區，裂紋源位于C區域；螺栓斷口平齊，無明顯的塑性變形，基本呈脆性斷裂特征；裂紋源處晶粒發生氧化，且其裂紋邊緣晶粒已發生明顯分離，呈沿晶斷裂特征。

圖4 斷裂螺栓斷口的整體形貌和裂紋源放大Fig.4 Overall morphology of fracture (a) and amplification of crack initiation (b) of the fractured bolt

圖5 斷裂螺栓斷口瞬斷區的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of rapid fracture area of the fractured bolt: (a) at low magnification and (b) at high magnification

采用JSM-6460型掃描電鏡(SEM)對斷裂螺栓斷口瞬斷區的形貌進行觀察。由圖5可以看出，斷口的晶粒狀特征明顯，為典型的沿晶斷裂形貌，且晶界處有輕微的氧化現象。由此可知，斷裂螺栓的斷裂形式為沿晶脆性斷裂。采用JSM-6460型掃描電鏡附帶的能譜儀對斷口裂紋擴展區晶界進行微區成分分析。由圖6可知，晶界處存在較多的氧、鉻元素，說明螺栓斷口已經發生氧化。

圖6 斷裂螺栓斷口裂紋擴展區的SEM形貌和能譜分析結果Fig.6 SEM morphology (a) and energy spectrum analysis results (b) of crack growth area of the fractured bolt

1.6 超聲探傷和磁粉探傷檢測

圖7 經熒光磁粉探傷觀察到的與斷裂螺栓同批次螺栓不同位置的微裂紋Fig.7 Micro cracks at different positions of the bolt with the same batch of the fractured bolt observed by fluorescent magnetic particle inspection: (a) head and (b) tail

對斷裂螺栓所在同批次正在使用的螺栓進行在線超聲探傷，并將經超聲探傷發現的有疑似裂紋的螺栓拆解后進行熒光磁粉探傷。經熒光磁粉探傷后確認，拆解的螺栓上確有微小的裂紋存在，如圖7所示，且微裂紋位置均位于螺栓頭部和尾部，基本對應于螺栓上表面硬度較高要求的a，b區域(如圖1所示)的邊界處，微裂紋所在的螺栓頭部位置基本與上述斷裂螺栓的斷裂位置一致。在螺栓的制造過程中，需對a,b這2段區域進行表面淬火處理，將其表面硬度控制在45～51 HRC。在螺栓服役過程中，這2段區域所受的應力最大，且與螺栓套有頻繁的摩擦旋轉接觸，導致在高低硬度過渡的區域，即螺栓表面組織產生變化的薄弱處不斷受到接觸應力的作用，從而形成了如圖7所示的微裂紋。

將存在微裂紋的螺栓沿裂紋處縱向剖開，采用光學顯微鏡觀察裂紋的形貌及裂紋處的顯微組織。由圖8可知：晶界處存在較為明顯的析出物；微裂紋的長度約為1 mm，裂紋由表面萌生，存在多處裂紋源，并沿螺栓的周向連接成環，同時向螺栓心部擴展，最終導致螺栓斷裂。

圖8 存在微裂紋螺栓的顯微組織和裂紋形貌Fig.8 Microstructure (a) and crack morphology (b) of the bolt with micro cracks

2 應力校核和斷裂原因分析

2.1 應力校核

采用有限元理論對螺栓的受力情況進行模擬。由圖9可知：螺栓在其兩側螺栓套之間的區域受橫向彎曲應力作用，螺栓斷裂的位置正好位于螺栓所受應力最大的位置。由此說明，螺栓的斷裂位置受到較大的應力作用。

圖9 制動杠桿螺栓的應力分布云圖Fig.9 Stress distribution contour of brake lever bolt

2.2 斷裂原因分析

組織中細小的析出物對提高材料的強度起到積極作用，但對于1Cr17Ni2馬氏體不銹鋼，若晶界處的析出物過多，則會降低晶粒間的結合力，從而對螺栓的性能產生不利影響[1-2]。由上述檢驗結果可知，斷裂螺栓的化學成分和力學性能均符合要求。螺栓中的夾雜物尺寸較大，且氧化物中的鉻元素可促使雜質在晶界處聚集，這會削弱晶粒的晶界結合力，并導致脆性斷裂的發生。研究表明，若鐵素體含量較高，則會導致材料的沖擊韌性降低[3-4]。因此，在對該螺栓進行熱處理過程中應盡量避免其組織中出現大量的鐵素體、殘余奧氏體以及晶界碳、氧、鉻化物等。

螺栓的斷裂位置正好位于螺栓與螺栓套的接觸部位外側，螺栓與螺栓套間的接觸造成螺栓表面的磨損，這對裂紋的出現起到一定的誘導作用。同時，轉向架部件位于車身的底部，在行車過程中這些零部件所處的環境惡劣，螺栓與螺栓套之間會有雨水等物質存在，這為螺栓的斷裂提供了腐蝕環境。

綜上可知，螺栓的斷裂形式主要為由應力腐蝕造成的沿晶脆性斷裂。螺栓在服役時其斷裂處所受的較大彎曲應力作用以及螺栓的惡劣服役條件是螺栓斷裂的外在原因，而螺栓中存在的帶狀鐵素體以及較大的夾雜物是螺栓斷裂的內在原因。

3 改進措施

(1) 加強螺栓材料的質量控制。采用電渣重熔的方式對原材料進行冶煉，嚴格控制螺栓材料中各類夾雜物的級別均在2級以下。對優化后的螺栓材料進行抽樣檢查后發現，螺栓材料中的夾雜物為A類和D類夾雜物，級別分別為1.5級和1級，如圖10所示。

圖10 優化后螺栓材料中的夾雜物形貌Fig.10 Morphology of inclusions in optimized bolt material:(a) class A inclusions and (b) class D inclusions

(2) 優化螺栓的熱處理工藝。降低螺栓調質過程中的淬火溫度，避開回火脆性溫度區，淬火后及時回火，同時表面感應淬火后進行合理的回火熱處理，以消除淬火過渡區的殘余應力，從而適當降低螺栓的基體硬度,減少組織中鐵素體含量，并盡量避免晶界析出物的產生，以保證顯微組織的均勻性和穩定性。由圖11可知，優化后螺栓的基體組織為均勻的回火索氏體，且鐵素體及晶界析出物明顯減少。

經過優化后的螺栓已經實現批量生產。實際應用結果表明，優化后的螺栓在和諧機車上裝車使用后的運行狀態良好，沒有出現斷裂。

4 結 論

(1) 螺栓的斷裂形式為由應力腐蝕造成的沿晶脆性斷裂；螺栓在服役時其斷裂處所受到的較大應力作用，以及螺栓的惡劣服役條件是螺栓斷裂的外在原因，而螺栓組織中存在的沿軋制方向分布的帶狀鐵素體和較大的夾雜物是螺栓斷裂的內在原因。

圖11 采用優化熱處理工藝制備所得螺栓的顯微組織Fig.11 Microstructure of the bolt obtained by optimal heat treatment process

(2) 采用加強螺栓材料的質量控制優化螺栓的熱處理工藝等措施后，新生產的螺栓沒再出現斷裂。