特種鋼電車螺栓失效分析

安裝在發(fā)電車上的8.8級螺栓, 規(guī)格為M20×55，材質(zhì)為45鋼，安裝扭矩為265N•m，未采用防松措施。該車總共安裝六枚螺栓，服役一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)三枚螺栓斷裂。

 試驗(yàn)過程與結(jié)果

故障螺栓的斷口穿過相鄰兩螺紋牙底和牙頂，無塑性變形，外表面涂層完好，見圖11-138。

圖11-138  故障螺栓宏觀形貌

斷裂螺栓斷面平坦，表面有輕微腐蝕及受外物磕碰造成的損傷，螺栓斷面上部（黑色箭頭所指處）有明顯的疲勞條帶，呈疲勞斷口特征。白色箭頭所指處的疲勞條帶不太明顯，根據(jù)疲勞條帶分布及斷口觀察，疲勞裂紋起源處應(yīng)位于螺栓邊沿，紅色箭頭所指附近，見圖11-139所示。

圖11-139  試樣斷面宏觀形貌

圖11-140為螺栓斷面宏觀形貌，為方便分析將斷面分為A、B、C三區(qū)域。

                        圖11-140  斷面宏觀形貌

圖11-141、圖11-142所示分別為A區(qū)微觀形貌，可見準(zhǔn)解理特征及舌狀花樣，A區(qū)為疲勞源區(qū)

圖11-141   A區(qū)微觀形貌                    圖11-142   A區(qū)微觀形貌

圖11-143、圖11-144所示為B區(qū)微觀形貌，可見準(zhǔn)解理特征及舌狀花樣。

圖11-144可見明顯的疲勞條帶，呈現(xiàn)疲勞斷裂特征，B區(qū)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。

圖11-145為C區(qū)形貌，可見準(zhǔn)解理特征及較多二次裂紋，為最終斷裂區(qū)。

圖11-143  斷面B區(qū)微觀形貌                圖11-144 斷面B區(qū)微觀形貌

圖11-145 斷面C區(qū)微觀形貌

對斷裂螺栓進(jìn)行牙底硬度梯度及心部硬度試驗(yàn),螺栓心部硬度符合《GB/T 3098.1-2010》對8.8級螺栓的要求；牙底表面由于脫碳，硬度較低。試驗(yàn)結(jié)果牙底硬度梯度如圖11-146、心部硬度如圖11-147。

圖11-146   牙底硬度梯度                     圖11-147  心部硬度

圖11-148為送檢螺栓心部金相組織，為回火索氏體及大量塊狀鐵素體，根據(jù)《GB/T 13320-2007 鋼質(zhì)鍛模件 金相組織評級圖及評定方法》規(guī)定評定回火索氏體級別為5級。圖11-149所示為螺紋牙頂金相組織，牙頂存在半脫碳組織和折疊，牙頂折疊缺陷，深度約90μm，但未超過牙高的1/4。

圖11-148  斷裂螺栓心部金相組織          圖11-149  斷裂螺栓牙頂金相組織

圖11-150所示為螺紋牙側(cè)金相組織可見牙側(cè)存在半脫碳層，按照《GB/T 3098.1 - 2010緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》9.10章節(jié)規(guī)定，采用硬度法檢測螺紋脫碳層深度，結(jié)果表明螺紋未脫碳高度E值和全脫碳層深度G值符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖11-151所示為螺紋牙底金相組織，可見牙底呈圓弧過渡，存在輕微脫碳，無明顯不連續(xù)性缺陷。

圖11-150  斷裂螺栓牙側(cè)金相組織           圖11-151 斷裂螺栓牙底金相組織

失效螺栓非金屬夾雜物檢查，根據(jù)《GB-T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)》滿足技術(shù)要求。

采用直讀光譜法對螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分符合《GB/T 699-1999》標(biāo)準(zhǔn)中對45鋼的要求。

斷裂螺栓化學(xué)成分、表面不連續(xù)性、心部硬度等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，斷裂與材質(zhì)無關(guān)。

斷面宏觀形貌顯示，斷面有大面積的疲勞條帶，呈疲勞斷裂特征，疲勞擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷面90%以上，疲勞條帶間距較窄，瞬斷區(qū)面積較小，可以判定螺栓的斷裂性質(zhì)為高周疲勞斷裂，最終斷裂時(shí)所承受應(yīng)力較小。

金相組織顯示心部有較多鐵素體，說明螺栓在調(diào)質(zhì)過程中心部未被淬透，其大塊狀鐵素體造成強(qiáng)度相應(yīng)較低。

雖然表面及心部硬度及脫碳層深度（E值、G值）指標(biāo)符合《GB/T 3098.1-2010》的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)《GB/T 5779.3-2000 緊固件表面缺陷 螺栓、螺釘和螺柱 特殊要求》規(guī)定，該類折疊屬于允許存在的缺陷。

但螺栓表面有半脫碳，螺紋上存在折疊缺陷。螺栓存在的脫碳和折疊，在靜載荷下服役，其性能尚能滿足使用要求，但是當(dāng)螺栓在有振動或交變載荷下服役時(shí)，脫碳層的存在和折疊缺陷，就會導(dǎo)致螺栓表面疲勞強(qiáng)度降低，易在螺紋牙底等應(yīng)力集中處萌生疲勞裂紋。

螺栓最終斷裂區(qū)面積較小，表明螺栓在最終斷裂時(shí)所承受的應(yīng)力較小，說明螺栓斷裂前已經(jīng)松動。在振動條件下工作的螺栓，若沒有有效的防松措施很容易產(chǎn)生松動，松動后的螺栓受力更加復(fù)雜，螺栓在復(fù)雜的交變應(yīng)力作用下，已萌生的疲勞微裂紋容易進(jìn)一步擴(kuò)展，最后疲勞斷裂。

安裝在發(fā)電車上的該螺栓，未采用防松措施，螺栓在振動條件下服役，容易造成松動。由于螺栓表面有脫碳、螺紋上存在折疊缺陷、心部金相組織存在較多塊狀鐵素體，使螺栓強(qiáng)度降低；松動后易在螺紋牙底等應(yīng)力集中處萌生疲勞裂紋，在交變應(yīng)力作用下，已萌生的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最后疲勞斷裂。

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)是高周疲勞斷裂。

（2）螺栓表面有脫碳、螺紋上存在折疊缺陷、心部金相組織存在較多塊狀鐵素體；在在振動條件下螺栓松動并產(chǎn)生微裂紋，微裂紋在交變應(yīng)力作用下疲勞擴(kuò)展，最后疲勞斷裂。

（3）選材環(huán)節(jié)，由于45鋼淬透性較差，一般不生產(chǎn)M12以上規(guī)格的8.8級螺栓，建議選用ML40Cr或ML35CrMo鋼。

（4）加強(qiáng)熱處理過程控制，防止螺栓表面脫碳及改善金相組織。

（5）加強(qiáng)螺紋成型的工藝控制，防止螺栓滾壓螺紋時(shí)產(chǎn)生螺紋折疊。

（4）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，當(dāng)螺栓服役工況有振動或交變載荷時(shí)，對于螺栓表面脫碳的要求不應(yīng)局限于《GB/T 3098.1-2010》的簡單要求，并在安裝過程中采取有效的防松措施。