動車組夾鉗螺栓斷裂原因分析
[摘要] 動車組制動夾鉗緊固螺栓在安裝過程中發生斷裂。采用掃描電子顯微鏡、光學顯微鏡、電感耦合等離子體光譜儀等對斷裂螺栓進行斷口形貌、顯微組織及化學成分檢測與分析。結果表明：斷裂螺栓化學成分、顯微組織均未見明顯異常；螺栓斷面可見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；原奧氏體晶粒內部和螺栓其他部位可見細小晶粒，結合螺栓制作工藝，可以推斷該螺栓在熱鐓過程中因加熱溫度控制不當導致局部過燒。通過不同溫度熱鐓試驗，提出合理的工藝改進建議。
[關鍵詞] 螺栓；過燒；斷裂；過載
0 引言
螺栓作為可拆卸連接的帶螺紋緊固件廣泛運用于各行各業，螺栓生產工藝的每一環節對其質量的影響至關重要，更與整個裝備或結構的安全可靠運行密切相關[1]。近年來，由于我國制造業水平的大幅提高，對產品的可靠性也愈發重視，但每年由于螺栓產品質量導致的事故仍然層出不窮，帶來較大經濟損失的同時甚至危及人生安全。有研究者對近年來失效的螺栓進行了統計，發現僅工程機械領域因過載導致的螺栓早期失效案例占總失效案例的12.2%[2]，其中因生產過程產生的缺陷導致局部強度不足的情況占相當比重。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度、較大規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控制螺栓的加熱和始鍛溫度，這將會給批量生產的螺栓帶入人為因素造成的質量隱患。
動車組制動夾鉗緊固螺栓在安裝過程中發生斷裂。斷裂螺栓材質為40CrNiMo，規格為M16×120，性能等級為12.9級。螺栓生產工藝為：下料→粗加工→熱鐓頭部→熱處理（調質處理）→滾絲→表面達克羅處理，其中熱鐓工藝采用中頻感應加熱，并通過人工控制溫度的方式進行連續生產。
本研究采用掃描電鏡、光學顯微鏡、電感耦合等離子光譜儀( ICP)等設備對螺栓斷裂件的化學成分、顯微組織、斷口形貌等進行觀察和檢測，對螺栓斷裂失效的原因進行分析，并提出相關的措施與建議。
1 試驗過程與結果
1.1 斷口宏觀觀察
圖1為斷裂螺栓宏觀形貌，可見斷裂位于六角頭與光桿連接的過渡圓角部位，斷口附近未見明顯塑性變形。
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，斷面較平坦，存在明顯的兩部分區域，A區顏色光亮，B區顏色灰暗，斷口附近未見明顯塑性變形。
圖2 失效螺栓斷口低倍形貌
Fig.2 Macro-morphology of the failure bolt fracture
斷口A區微觀形貌見圖3。斷面存在明顯的覆蓋物，隱約可見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 區微觀形貌，可見斷面存在明顯的高溫氧化物，經能譜分析主要為Fe的氧化物（圖5）；還可見明顯晶粒輪廓且晶粒粗大，局部晶界明顯加寬，局部可見卵形晶粒。
圖3 斷口A區微觀形貌
Fig.3 Micro-morphology of fracture area A
圖4 斷口B區微觀形貌
Fig.4 Micro-morphology of fracture area B
圖5 斷口能譜分析結果
Fig.5 Results of energy spectrum analysis of the fault
1.2 金相組織檢查
對斷裂螺栓頭部斷口附近縱向取樣進行金相組織檢查，采用飽和苦味酸溶液對拋光態試樣進行腐蝕并觀察，圖6為B區斷面附近的金相組織，可見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，晶界可見明顯氧化物，原奧氏體晶粒內部可見細小晶粒。圖7 為遠離斷口處的金相組織，可見晶粒細小，說明該螺栓過燒現象并非形成于熱處理過程，而是在螺栓熱鐓時產生的。
圖6 斷面附近金相組織
Fig.6 Metallographic structure near the fracture surface
圖7 遠離斷面處金相組織
Fig.7 Metallographic structure away from the section
1.3 化學成分分析
采用電感耦合等離子發射光譜儀對斷裂螺栓進行化學成分分析，結果見表1。符合GB/T3077—2015中40CrNiMo的元素含量要求。
1.4 螺栓熱鐓試驗
對斷裂螺栓同規格樣品的熱鐓工序進行不同溫度的熱鐓試驗，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。可見，當熱鐓溫度低于1250℃時，組織未出現過熱痕跡，晶粒均勻且細小；當熱鐓溫度為1250℃時，組織存在明顯過熱，并伴有過燒傾向；當溫度為1300、1350℃時，原奧氏體晶界明顯加寬，局部晶界可見熔化痕跡，組織存在明顯過燒現象。除此之外，觀察熱鐓試樣發現，過熱過燒痕跡集中于螺栓六角頭下圓角過渡區域附近。
2 分析與討論
檢測結果表明，螺栓斷裂位于六角頭下圓角過渡部位，斷口較為平坦，可見明顯的兩個區域，其中一個區域可見明顯的高溫氧化痕跡。斷面可見明顯的晶粒輪廓，且晶粒粗大，局部晶界可見熔化痕跡及卵形晶粒，為典型的過燒特征。對斷裂螺栓六角頭部斷口附近金相分析結果表明，螺栓六角頭下圓角附近原奧氏體晶界可見明顯氧化痕跡，說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，在原奧氏體晶粒內部可見細小晶粒。另外，如果該螺栓有調質熱處理導致的組織過燒，則過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域過燒現象產生于調質熱處理之前。根據螺栓生產工藝，該螺栓六角頭部采用中頻感應加熱鐓成型，熱鐓溫度由人工通過加熱時間控制，工藝缺乏嚴格的控制，故推斷，熱鐓工序存在加熱溫度過高的情況，導致個別螺栓在六角頭部發生過燒。在較高溫度下，S、P等低熔點物質首先在晶界發生偏聚，降低晶界熔點，晶界發生氧化和熔化，形成沿晶過燒裂紋[6-8]。過燒造成晶界熔化變寬，同時在晶界出現氧化物，降低晶界位置的強度，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燒引起的過載斷裂。
對同等規格螺栓進行不同溫度熱鐓模擬試驗結果表明，當熱鐓溫度高于1250℃時，出現過熱過燒現象，并且過熱過燒區域集中在螺栓頭下圓角附近，有資料[13]表明，由于螺栓熱鐓過程在較大的沖擊力和剪切力作用下該區域容易形成絕熱剪切帶，絕熱剪切帶中熱量不易擴散，當熱鐓溫度控制不當時，更容易在該部位產生過熱過燒。
3 結論與建議
1）螺栓斷裂位于螺栓六角頭部圓角部位，為鐓制成型過渡部位，失效模式為過燒引起的過載斷裂。
2）螺栓六角頭部圓角產生過燒的原因可能是由于人工通過加熱時間無法精準控制熱鐓溫度。
3）建議通過紅外溫度監控機械手精確控制熱鐓溫度，并通過生產試驗、金相檢查進行驗證。
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作者：祁永東，就職于浙江國檢檢測技術股份有限公司，工程師，主要從事金屬制件理化檢測及失效分析方面的研究。
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