高強(qiáng)度動車底座六角頭螺栓斷裂失效分析

8.8級動車底座六方螺栓，規(guī)格為M16×130，材質(zhì)為35CrMo鋼。螺栓安裝于動車底部，安裝扭矩為120N•m，采用墊片與鋼絲穿孔擰緊的防松措施，車輛行駛約12萬公里后發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂。

斷裂件檢查，螺栓在螺紋處斷裂（圖中左側(cè)）；螺栓頭下與桿部多處有明顯的磨損痕跡,一側(cè)較嚴(yán)重（圖中右側(cè)），見圖11-128。

（1）對斷口宏觀檢查

可見斷口附近無明顯塑性變形，斷裂發(fā)生于螺紋牙底，見圖11-129。

斷裂螺栓的斷面宏觀形貌，可見斷口平整，無明顯腐蝕產(chǎn)物，斷面位于螺紋牙底，可見明顯的疲勞弧線，如圖11-130。

                                                                                           圖11-128  斷裂件宏觀形貌

                                           圖11-129 斷裂件斷口宏觀形貌           圖11-130  斷面宏觀形貌

（2）對斷口微觀檢查

   圖11-131所示為斷面掃描電鏡低倍形貌，可見明顯的疲勞弧線，占整個斷面積的80%以上，呈現(xiàn)典型的疲勞斷裂特征。

   圖11-132可見明顯的磨損痕跡，為疲勞源區(qū)。

圖11-133、圖11-134有明顯的疲勞條帶，疲勞擴(kuò)展區(qū)的條帶間距較小。

圖11-135所示為瞬斷區(qū)，可見明顯的韌窩形貌。

圖11-131 斷面電鏡低倍形貌             圖11-132疲勞源區(qū)有磨損痕跡

圖11-133 疲勞擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶          圖11-134疲勞擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶

圖11-135  瞬斷區(qū)韌窩形貌

（3）金相檢測

   圖11-136所示為送檢斷裂螺栓心部金相組織，為回火索氏體。

圖11-137所示為送檢螺栓斷口附近螺紋部位的金相組織，可見螺紋部位碳勢正常，牙頂無明顯缺陷；牙底流線完整，無明顯缺陷。

圖11-136   斷裂螺栓金相組織           圖11-137螺栓牙頂牙底金相組織

（4）硬度檢測

對斷裂螺栓進(jìn)行表面及心部硬度試驗，結(jié)果為心部硬度273、279、283 HV10；表面硬度313、317、319HV0.3硬度結(jié)果滿足《GB/T 3098.1 -2010》對于8.8級螺栓（250～320 HV10）技術(shù)要求。由于螺栓為熱處理后滾牙，造成表面硬度比心部硬度高40HV左右，屬正常情況。

（5）化學(xué)成分分析

采用直讀光譜法對螺栓進(jìn)行了化學(xué)成分分析，符合《GB/T3077-1999》標(biāo)準(zhǔn)中對35CrMo鋼的要求。

斷裂螺栓金相組織、化學(xué)成分、表面不連續(xù)性、表、心硬度等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，螺栓斷裂與材質(zhì)無關(guān)。

斷裂螺栓宏觀形貌顯示螺栓頭下與桿部有明顯的磨損痕跡，一側(cè)磨損較嚴(yán)重。有兩種情況的其中一種會造成磨損痕跡：螺栓與裝配孔不同心，裝配時造成表面摩擦磨損，一側(cè)較嚴(yán)重；另一種是在服役過程中螺栓已產(chǎn)生松動，松動后的螺栓與配合零件相互摩擦也會造成表面磨損。該螺栓兩種情況都有造成較嚴(yán)重的磨損。

螺栓與裝配孔不同心，裝配后造成螺栓受力復(fù)雜，螺栓受到拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力的復(fù)合作用；松動后的螺栓受力更加復(fù)雜，易在應(yīng)力集中部位的螺紋底部產(chǎn)生微裂紋。

斷面宏觀形貌顯示，斷面有大面積疲勞條帶，呈疲勞斷裂特征，疲勞源區(qū)位于螺紋牙底，疲勞擴(kuò)展區(qū)占整個斷面約五分之四，疲勞條帶間距較窄，最后斷裂區(qū)面積較小，可以判定螺栓的斷裂性質(zhì)為典型的高周應(yīng)力疲勞斷裂。

該動車底部的螺栓，裝配后已受到多種應(yīng)力作用；在車輛行駛過程中，螺栓又受到交變載荷作用。螺栓的防松措施不到位，在多種應(yīng)力作用下產(chǎn)生松動，并在應(yīng)力集中部位的螺紋底部產(chǎn)生微裂紋，在交變應(yīng)力作用下，微裂紋成為疲勞源，疲勞裂紋不斷擴(kuò)展直至最終螺栓失穩(wěn)疲勞斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺栓的斷裂性質(zhì)是高周應(yīng)力疲勞斷裂。

（2）螺栓疲勞斷裂根本原因是裝配孔不同心，造成螺栓受力復(fù)雜，防松措施不到位造成螺栓在服役過程中出現(xiàn)松動，綜合因素使螺紋底部產(chǎn)生微裂紋，在交變載荷下微裂紋不斷擴(kuò)展，最終螺栓疲勞斷裂。

（3）對于裝配受剪螺栓一定要保證裝配孔的同心度在要求范圍內(nèi)。

（4）對受交變載荷作用的螺栓要做好防松措施，防止在工作中產(chǎn)生松動。