動車機組用304不銹鋼螺栓斷裂原因

劉艷鋒, 劉小民, 王法云, 趙宇清, 李曉增, 潘永紅

(廣州質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院, 廣州 511447)

304不銹鋼在常溫下的顯微組織為穩(wěn)定奧氏體,鋼的塑性、韌性、冷加工性良好,在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。小規(guī)格的304不銹鋼螺栓通常由鋼絲或鋼棒原材料冷變形加工而成,因此不銹鋼螺栓的質(zhì)量與原材料的性能及加工工藝相關(guān)。

某動車機組翻板鎖舌用304不銹鋼螺栓在使用不到2個月就發(fā)生斷裂。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、微觀分析等方法分析了其斷裂原因,以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

某動車機組翻板鎖鎖舌的固定傳動螺栓發(fā)生斷裂,翻板鎖內(nèi)部結(jié)構(gòu)宏觀形貌如圖1所示。轉(zhuǎn)子在把手順時針轉(zhuǎn)動時,通過螺栓帶動鎖舌壓縮彈簧縮入,松開把手時鎖舌被壓縮彈簧彈出,螺栓推動轉(zhuǎn)子和把手復(fù)位。螺栓在使用過程中承受徑向的交變應(yīng)力,螺栓規(guī)格為M4 A2-70。采用顯微鏡對螺栓斷口進行觀察,斷口的宏觀形貌如圖2所示。斷口大致可分為斷裂起始區(qū)A,裂紋擴展區(qū)B和最終斷裂區(qū)C。斷口有明顯的疲勞弧線,斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂,且有多個裂紋源[2]。

圖1 翻板鎖內(nèi)部結(jié)構(gòu)宏觀形貌

圖2 螺栓斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用電感耦合等離子體光譜儀對斷裂螺栓進行化學(xué)成分分析, 結(jié)果如表1所示。斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 3098.6—2014 《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》的要求。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 微觀分析

采用場發(fā)射掃描電鏡(SEM)對斷口進行微觀形貌分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:斷裂起始于螺栓邊緣,以疲勞斷裂的方式擴展,隨著螺栓受力面積的逐漸減少,最終發(fā)生過載斷裂,斷口呈韌窩狀塑性斷裂特征。

將斷裂螺栓沿縱向剖開,機械拋光后用三氯化鐵溶液腐蝕。采用光學(xué)顯微鏡觀察,在螺紋根部發(fā)現(xiàn)裂紋(見圖4)。螺紋附近有明顯金屬變形痕跡,說明螺紋是采用滾壓方式制造的[3]。裂紋延伸方向與金屬流動變形方向一致,推斷裂紋是在螺紋加工時產(chǎn)生的。對同批次未使用的螺栓進行外觀檢查,發(fā)現(xiàn)多處明顯加工裂紋缺陷,最大長度為1.8 mm。因此,可以判斷斷裂螺栓根部裂紋是在螺紋滾壓搓絲過程中產(chǎn)生的。

采用光學(xué)顯微鏡對螺栓縱截面進行金相檢驗,結(jié)果如圖5所示,由圖5可知,螺栓顯微組織為奧氏體+鐵素體+顆粒狀碳化物。對螺栓縱截面進行掃描電鏡和能譜分析,結(jié)果如圖6,7所示,由圖6,7可知,鐵素體呈條狀沿軸向分布。

圖6 螺栓縱截面能譜分析位置

圖7 螺栓縱截面能譜分析結(jié)果

采用電子背散射衍射探測器(EBSD)對螺栓心部位置進行晶體取向和晶粒分析,結(jié)果如圖8,9所示。螺栓材料的晶粒在軸向有了明顯的擇優(yōu)取向,且晶粒沿軸向變形拉長,由此可以判斷螺栓原材料為軋制態(tài)交貨。這種金屬塑性變形使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫做形變織構(gòu)[4]。

圖8 螺栓材料軸向晶體取向

2 綜合分析

奧氏體不銹鋼的塑性好,小規(guī)格的奧氏體不銹鋼螺栓常采用尺寸相近的棒材或絲材原材料冷加工成型為小規(guī)格奧氏體不銹鋼螺栓。奧氏體不銹鋼棒材或絲材的原材料一般采用熱軋的方式生產(chǎn),熱軋過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,即原始晶粒因為軋制變形而沿軸向拉長,變形晶粒同時發(fā)生再結(jié)晶而形成新的等軸晶并長大。當再結(jié)晶不完全時就會形成形變織構(gòu)組織。

織構(gòu)組織使螺栓原材料的力學(xué)性能有了方向性,橫向的塑性和韌性會明顯降低[4]。組織中鐵素體和碳化物,會使橫向的韌性和可加工性能進一步惡化,導(dǎo)致螺栓在螺紋搓絲的過程中產(chǎn)生較多的加工裂紋,這些裂紋為螺栓的疲勞斷裂提供了裂紋源。

翻板鎖鎖舌的螺栓在使用過程中承受的是徑向交變應(yīng)力,應(yīng)力方向與螺栓軸向垂直,正好是螺栓材料性能惡化的方向,使得加工裂紋更易在徑向發(fā)生疲勞擴展,最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂。

3 結(jié)語及建議

奧氏體不銹鋼材料的最終熱處理狀態(tài)一般應(yīng)為固溶態(tài),固溶態(tài)不銹鋼具有最好的耐腐蝕性,還可以獲得良好的綜合力學(xué)性能。一般奧氏體不銹鋼螺栓在冷加工成形后,不再進行熱處理,因此建議采用固溶態(tài)的原材料來生產(chǎn)翻板鎖鎖舌螺栓,以改善螺栓原材料的可加工性能,減少加工裂紋,同時還可以形成等軸晶粒,提高螺栓徑向的力學(xué)性能。