地鐵轉(zhuǎn)向架連接螺栓斷裂原因

孫明正

(1.上海材料研究所 檢測(cè)中心,上海 200437;2.上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200437)

某地鐵轉(zhuǎn)向架連接螺栓發(fā)生斷裂，至發(fā)生斷裂時(shí)螺栓服役約4 a(年)。圖1為該斷裂的地鐵轉(zhuǎn)向架連接螺栓的宏觀形貌。連接螺栓的規(guī)格為8.8級(jí)M30，符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》技術(shù)要求。為了查明該地鐵轉(zhuǎn)向架連接螺栓的斷裂原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了一系列的檢驗(yàn)和分析，以期類(lèi)似事故不在發(fā)生。

圖1 斷裂螺栓及同批次未斷裂螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolt and the same batch of unfractured bolts

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

將斷裂螺栓的斷口置于體視顯微鏡下觀察，其斷口宏觀形貌如圖2所示。圖2中可見(jiàn)裂紋起源于螺紋根部，具有多源臺(tái)階特征；瞬斷區(qū)位于裂紋源區(qū)的對(duì)側(cè)，具有剪切特征；中間的裂紋擴(kuò)展區(qū)較為平坦，可見(jiàn)貝殼紋，為疲勞斷裂的宏觀形貌特征。圖2中還可見(jiàn)斷裂螺栓的兩個(gè)裂紋源區(qū)的外側(cè)螺紋的原始鍍層表面已損傷，而中間一塊區(qū)域的螺紋表面鍍層情況完好，這種現(xiàn)象說(shuō)明了斷裂螺栓旋合后，其螺紋與配合的內(nèi)螺紋孔的螺紋接觸面不均勻，因此在裂紋源區(qū)會(huì)有額外的彎曲受力情況。圖3為斷裂螺栓側(cè)面的宏觀形貌，可見(jiàn)螺紋表面殘留有較多的螺紋膠。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture

圖3 斷裂螺栓側(cè)面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of side of the fractured bolt

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂螺栓上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)其化學(xué)成分符合GB/T 3098.1-2010對(duì)8.8級(jí)螺栓的成分要求。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

1.3 拉伸試驗(yàn)

在同批次未斷裂螺栓上取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)其拉伸性能符合GB/T 3098.1-2010對(duì)8.8級(jí)螺栓的技術(shù)要求。

表2 同批次未斷裂螺栓的拉伸性能Tab.2 Tensile properties of the same batch of unfractured bolt

1.4 斷口分析

將斷裂螺栓的斷口清洗后置于掃描電鏡(SEM)下觀察，圖4為斷口的兩個(gè)裂紋源區(qū)的SEM形貌，可見(jiàn)有臺(tái)階特征。裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌見(jiàn)圖5，可見(jiàn)其上有大致平行的二次裂紋，符合疲勞斷裂的微觀形貌特征。最后瞬斷區(qū)的SEM形貌見(jiàn)圖6，可見(jiàn)其上呈韌窩特征。

圖4 裂紋源區(qū)SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the crack source area:a)the crack source area 1,at low magnification;b)the crack source area 1,at high magnification;c)the crack source area 2,at low magnification;d)the crack source area 2,at high magnification

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the crack growth area:a)at low magnification;b)at high magnification

1.5 金相分析

截取斷口剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋及浸蝕后置于光學(xué)顯微鏡下觀察，其斷口處顯微組織形貌如圖7所示。可見(jiàn)該斷裂螺栓的螺紋頂部脫碳現(xiàn)象較為嚴(yán)重，從頂部至螺紋工作(受力)面再到螺紋根部都有脫碳現(xiàn)象，螺紋根部脫碳相對(duì)較輕。

圖7 斷口處顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of the fracture

2 分析與討論

斷裂螺栓的化學(xué)成分及力學(xué)性能滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)要求。由斷口的宏觀形貌和SEM形貌可知，該螺栓斷口具有典型的疲勞斷裂特征區(qū)域[1]。斷裂螺栓裂紋源區(qū)位于螺紋根部，具有多源臺(tái)階特征；斷口的瞬斷區(qū)位于裂紋源區(qū)的對(duì)側(cè)，具有韌窩特征；中間的裂紋擴(kuò)展區(qū)較為平坦，可見(jiàn)貝殼紋及大致平行的二次裂紋。斷裂螺栓的兩個(gè)裂紋源區(qū)的外側(cè)螺紋的原始鍍層表面已損傷，而中間一塊區(qū)域的螺紋表面鍍層情況完好，這種現(xiàn)象說(shuō)明了斷裂螺栓旋合后，由于未對(duì)內(nèi)螺紋孔殘留的螺紋膠進(jìn)行檢查和清理，其螺紋與配合的內(nèi)螺紋孔的螺紋接觸面不均勻，會(huì)有額外的彎曲受力情況。綜上可知，該斷裂螺栓的斷裂性質(zhì)為彎曲疲勞斷裂。

另外螺紋根部存在輕微的脫碳現(xiàn)象，脫碳處抗疲勞性能很低，在使用過(guò)程中很容易在脫碳表層應(yīng)力集中處萌生疲勞裂紋源。在上述這兩個(gè)因素的共同作用下，再加上在列車(chē)行駛時(shí)振動(dòng)所產(chǎn)生的交變載荷，該轉(zhuǎn)向架連接螺栓于應(yīng)力集中的螺紋根部萌生裂紋，并在疲勞載荷作用下裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論及建議

該螺栓的斷裂性質(zhì)為彎曲疲勞斷裂，裂紋起源于螺紋根部。安裝時(shí)未及時(shí)檢查清理內(nèi)螺紋孔的殘留螺紋膠導(dǎo)致螺栓受力不均，以及螺紋根部存在輕微脫碳現(xiàn)象，再加上列車(chē)行駛時(shí)振動(dòng)所產(chǎn)生的交變載荷，該地鐵轉(zhuǎn)向架連接螺栓于螺紋根部萌生裂紋，并在疲勞載荷作用下裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

建議更換轉(zhuǎn)向架連接螺栓時(shí)，對(duì)原有殘留在內(nèi)螺紋孔的螺紋膠進(jìn)行徹底清理，并檢查內(nèi)螺紋的完整性；嚴(yán)格控制螺栓的質(zhì)量，避免脫碳等缺陷的存在。