某螺紋連接副服役失效原因分析

李艷軍，周杰，石大鵬，陳波，辛軍華，時杭，趙晨

（河南航天精工制造有限公司，河南 信陽 464000）

機車制動輪盤是保證列車運行的重要部件，由車輪和制動盤組成。制動盤采用螺栓連接的方式固定在輻板上，是高鐵制動的阻力來源。輪盤連接螺栓工作狀況十分復雜，需要承受自重、溫度載荷以及高速旋轉帶來的動載沖擊，一旦螺栓失效，將會導致列車制動異常，后果不堪設想。

機車制動輪盤用十二角頭螺栓在服役時出現斷裂（以下簡稱故障件），斷裂位置在螺紋收尾處（圖1），由于該螺栓的使用在制動盤的關鍵部位，一旦出現斷裂失效，機車的整個制動系統(tǒng)將面臨嚴重的質量事故。針對這一問題，相關人員進行了深入溝通、交流，就螺栓斷裂的原因進行了失效分析及機械性能的對比驗證，利用先進的研究檢測分析技術，明確了螺栓的失效模式及原因，并提供了改進建議。

圖1 螺栓斷裂樣件

1 原因分析

選定故障件和完好件為研究對象，從以下幾個方面進行分析，以期得到螺栓失效的根本原因。

1.1 化學成分分析

對故障件與同批次完好螺栓的材料成分進行了ICP分析，具體元素成分含量見表1。由表1可知，故障件與完好件在材料成分上沒有差異，經過與標準材料成分對比，螺栓材料符合德國40CrMo4-6材料成分要求，與我國42CrMo、美國B16及日本SCM440等牌號較為接近。

表1 化學成分分析（質量分數/%）

40CrMo4-6鋼是中碳合金結構鋼，主要用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機器中的重要零件，如車輛和發(fā)動機的傳動件、汽輪發(fā)電機的轉子、主軸、重載荷的傳動軸、大鍛面零件、緊固件與基礎件等。

1.2 斷口分析

對故障件進行宏觀斷口分析，具體如圖2所示。

由于螺栓采用的是氧化處理，由圖2（a）可知，故障件表面存在較為完整的黑色氧化層，側面無折疊、裂紋等損傷，螺栓斷裂位置位于螺紋收尾處；圖2（b）為斷口宏觀形貌，斷口呈灰白色，斷面較為平整，整個斷面被分成3個部分，被撕裂臺階分開。

圖2 故障件宏觀形貌

對故障件進行掃描電鏡微觀斷口分析，具體見圖3。

圖3 微觀斷口形貌

圖3（a）為宏觀斷口形貌，斷面中心存在較大的撕裂臺階，右側所占面積較大；圖3（b）為裂紋源區(qū)形貌，氧化顏色較深，斷面平坦光滑；圖3（c）為微觀裂紋源區(qū)，呈放射狀條紋；圖3（d）為擴展區(qū)微觀形貌，有平行分布的疲勞弧線（貝殼花樣）；圖3（e）與（f）為瞬斷區(qū)特征，所形成的臺階較大且靠近斷面中心，表示所受到的外載荷比較大。

從斷口的宏觀及微觀進行分析，故障件斷裂形式應為疲勞斷裂，斷裂源區(qū)有3個，三個源區(qū)呈點源特征，位于故障件表面，源區(qū)有光亮的反光面，有擠壓痕跡，附近有貝紋線。擴展區(qū)疲勞弧線較為明顯，瞬斷區(qū)靠近斷面中心。

1.3 顯微組織分析

對故障件進行顯微組織、不連續(xù)性及非金屬夾雜物測試，具體檢測結果見圖4。

圖4 故障件顯微組織

圖4（a）中顯微組織為回火索氏體與殘余奧氏體組織，未發(fā)現過熱、過燒等熱處理缺陷；圖4（b）螺紋部位表層與心部組織一致，未發(fā)現脫碳現象；圖4（c）牙頂存在折疊，深度較為0.18mm；由于表面處理方式為氧化處理，處理時間較長，導致螺紋牙底及牙側局部產生了點腐蝕，深度為0.04mm，如圖4（d）與圖4（e）所示；圖4（f）為縱向非金屬夾雜物，主要為硫化物夾雜物，依據GB/T10561《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，可評為A類細系1級。

對同批次完好件做螺紋表面檢查，具體檢查結果見圖5。

由圖5可知，該故障件同批次庫存螺栓也存在類似問題，基本每一扣螺紋均存在點腐蝕現象，圖5（a）腐蝕深度為0.025mm，圖5（b）腐蝕深度為0.03mm。點腐蝕的存在破壞了螺紋基體的連續(xù)性，在交變應力載荷作用下，形成疲勞裂紋源，致使螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

圖5 螺紋部位點腐蝕

對故障件進行了螺紋金屬流線及晶粒度檢查，具體檢查結果見圖6。

圖6 故障件金屬流線及晶粒

圖6（a）為頭部與螺紋部位金屬流線宏觀形貌；圖6（b）為頭、桿結合處金屬流線，流線切斷較為嚴重，表明該螺栓頭部在鐓制成型后，又在頭下R處進行了車加工；圖6（c）金屬流線沿螺紋輪廓變形，且在牙底達到最大密度，表明該批次螺栓螺紋成型方式為熱處理后滾壓成型；圖6（d）為500x晶粒，依據ASTM E112《金屬平均晶粒度標準評定方法》，可評為9級，晶粒較為細小、均勻。

1.4 硬度測試

用故障件及同批次3件完好產品，在光桿處截取了一倍光桿直徑的長度，進行了洛氏硬度試驗，試驗方法依據NASM1312-6《緊固件試驗方法6 硬度》，實測數據如表2所示。

由表2數據可知，該批次產品硬度符合GB/T3098.1中10.9級要求。

2 斷裂機理分析與討論

（1）從斷口宏觀與微觀分析可知，該故障件裂紋源區(qū)有3處，均為點狀，有光亮的反光面，裂紋源位于表面，源區(qū)未見明顯的夾雜物、加工刀痕、機械損傷等缺陷；微觀斷口表現為明顯的疲勞特征，斷口附近有貝紋線，擴展區(qū)疲勞弧線較為明顯。

（2）從顯微組織、不連續(xù)性、非金屬夾雜物、金屬流線及晶粒度等分析可知，故障件顯微組織為回火索氏體和殘余奧氏體組織，無過熱、過燒現象，邊緣無脫碳現象；非金屬夾雜物含量較低，鋼材的純凈度較好；頭部與桿部結合處金屬流線有切斷現象，螺紋部位金屬流線沿螺紋牙輪廓變形，且在牙底達到最大密度，表明該螺紋為滾壓成型；晶粒度為9級，未發(fā)現較大晶粒及混晶現象存在。

（3）從硬度測試結果分析可知，故障螺栓與同批次完好螺栓性能符合螺栓10.9級要求。

（4）通過對螺栓螺紋表面檢查，發(fā)現螺栓表面氧化處理時，導致螺紋牙側及牙底存在過度腐蝕現象，局部存在點腐蝕，深度為0.04mm。

3 解決措施

（1）優(yōu)化加工工藝，合理控制產品表面氧化處理參數，防止產品表面腐蝕過度。

（2）產品頭部應鐓制成型，保證頭桿結合處的金屬流線連續(xù)性，頭下R進行滾壓強化，提高頭桿結合處的強度。

（3）控制機加工余量，保證金屬流線的連續(xù)性。

（4）熱處理后進行滾絲，以便強化螺紋，提高螺紋的抗拉載荷；并通過控制螺紋牙底圓弧半徑（不小于0.125P，P為螺距），提高螺紋的疲勞性能。

（5）根據使用環(huán)境的要求，選用綜合性能更合適的材料，如A286、GH4169等。

4 結語

該機車制動盤用螺栓斷裂形式為疲勞斷裂，裂紋源位于表面。形成裂紋根本原因為產品表面氧化處理時，腐蝕過度，使螺紋表面形成點腐蝕，機車運行時，在交變載荷的作用下，最終疲勞斷裂。