軌道車輛制動鉗螺栓斷裂失效分析與應力腐蝕敏感性評估

宮垂玉 祁永東 沈趙琴 徐 鑫 蔣達磊

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266111；2.浙江國檢檢測技術股份有限公司 浙江 海鹽 314300)

制動盤制動也稱之為安全制動，該設計即便在外界接觸網故障無電時也能夠正常使用，確保動車組能夠安全停車，是動車組的重要安全部件，其工作原理是制動卡鉗抱住制動盤摩擦，達到減速的目的。每個制動卡鉗上由兩個M16×120的螺栓固定。2019年11月份，某型號軌道車輛維保人員在例行檢查時發現多例制動鉗緊固螺栓斷裂，下文對斷裂螺栓、未斷裂螺栓及同批的庫存螺栓進行了檢測和分析，以期明確其斷裂原因的同時，對該部位螺栓應力腐蝕敏感性進行了評估，并提出改進建議。

1 斷口分析

1.1 宏觀分析

該批螺栓材質為40CrNiMo，規格為M16×120，性能等級為12.9級，表面經達克羅處理，該動車組均服役于東南部沿海地區，從服役至發現斷裂間隔約6個月。螺栓實物如圖1所示，將其分別編號為1#、2#、3#和4# ，其中1#和2#為斷裂螺栓，3#為使用后未斷螺栓，4#為庫存同批次螺栓，可見使用過的螺栓桿部均存在較明顯的腐蝕，其中螺紋近旋合部位腐蝕程度較為嚴重。

采用體視顯微鏡對斷裂螺栓進行宏觀觀察，發現斷裂均位于螺紋部位，起裂于螺紋牙底，螺紋處可見大量白色和紅褐色腐蝕產物，如圖2所示。

圖1 螺栓宏觀形貌

圖2 螺紋處銹蝕情況

圖3所示為斷口宏觀形貌，可見兩枚斷口宏觀形貌極為相似，均存在明顯的平坦區域和剪切唇區，平坦區域可見放射痕跡，并收斂于斷口邊緣螺紋牙底部位，斷口均已發生明顯銹蝕，表面覆蓋有腐蝕產物，因兩例斷口相似，故任選一件進行進一步分析。

圖3 斷口宏觀形貌

1.2 電鏡掃描及能譜分析

選取其中的1#斷口采用掃描電子顯微鏡進行微觀形貌及能譜分析，圖4所示為1#斷口低倍形貌，將其分為A、B、C三個區域進一步分析，其中A區為裂紋源區，可見放射痕跡收斂于A區邊緣，B區為裂紋擴展區，C區為最終斷裂區，與螺栓軸向約呈45°。

圖4 斷口低倍形貌

圖5(a)所示為A區微觀形貌，可見裂紋源區為“冰糖狀”沿晶形貌特征，晶面存在腐蝕痕跡。裂紋源區附近的螺紋底部存在腐蝕凹坑(虛線框標記處)，如圖5(b)所示。對腐蝕部位能譜分析顯示存在氯、硫等腐蝕元素，如圖5(c)所示。

圖6所示為斷口B區和C區微觀形貌，可見斷口B區均為沿晶+準解理形貌，斷口C區為韌窩形貌。

2 理化檢驗

2.1 金相組織分析

對斷裂螺栓取樣進行金相分析，從圖7(a)可見斷裂螺栓螺紋完整，未發現脫碳、增碳及表面不連續性缺陷。螺栓芯部為均勻的回火索氏體組織，無異常，如圖7(b)所示。

圖5 裂紋源區及表面微觀形貌

圖6 斷口微觀形貌

圖7 螺栓金相組織

對斷裂螺栓不同部位取樣觀察表面涂層情況，圖8(a)所示為斷裂螺栓六角頭部(未銹蝕)達克羅涂層剖面，可見該部位達克羅涂層完好且均勻，平均厚度約13.5 μm，符合產品技術要求(≥5 μm)。圖8(b)所示為螺栓斷口附近螺紋處腐蝕較嚴重部位的剖面，可見存在深度約60 μm的腐蝕坑，說明涂層已破壞并已腐蝕至基體。

圖8 螺栓涂層形貌

2.2 硬度檢測

對螺栓進行硬度檢測，結果如表1所示。可見表面硬度及芯部硬度均符合“GB/T 3098.1”中對12.9級螺栓的硬度要求。

表1 硬度檢測結果

2.3 化學成分分析

采用直讀光譜儀對送檢螺栓進行化學成分分析，結果如表2所示。 符合“GB/T 3077—2015 合金結構鋼”標準中對40CrNiMo的元素含量要求。采用惰性氣體熔融熱導法測定斷裂螺栓氫的質量分數為1.4 ppm、1.5 ppm，而未使用庫存件氫的質量分數為0.6 ppm，說明螺栓在服役過程中存在環境吸氫現象。

3 慢應變應力腐蝕試驗

對斷裂螺栓的分析結果顯示，該螺栓失效機理為酸性環境中的吸氫應力腐蝕。該部位螺栓最先采用8.8級螺栓，后因結構升級設計更改為12.9級螺栓。對同規格的10.9級螺栓和12.9級螺栓在空氣和3.5%氯化鈉溶液中進行慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗，探究了兩種等級螺栓在不同介質中的應力腐蝕敏感性。

表2 試樣化學成分結果 /%

原則上講，只要空氣中的慢拉伸曲線上任何一個參數與在介質中慢拉伸曲線上同一參數進行比較，其比較值都可以用來表征材料在該介質中的抗應力腐蝕能力，李景勝等[1]的研究結果表明，采用慢拉伸曲線下包圍的面積，即功的比值及其派生出的參數比值，計算出的應力腐蝕敏感指數能更真實、更準確地表征材料在特定介質中的抗應力腐蝕性能，因此文中應力腐蝕敏感系數采用以下公式計算。

式中：σSCC、δSCC分別為介質中應力與應變，σ0、δ0分別為空氣中應力和應變。

對比兩種等級的螺栓，4枚12.9級螺栓的應力腐蝕敏感性指標分別為0.14、0.12、0.11和0.13。而4枚10.9級螺栓的應力腐蝕敏感性指標分別為0.08、0.06、0.09和0.05。可見，12.9級螺栓的應力腐蝕敏感值高于10.9級螺栓。

在掃描電子顯微鏡下分析了試驗樣品斷裂后的斷口形貌，圖9所示為10.9級和12.9級兩種螺栓在空氣中應力腐蝕斷口形貌，可見兩種等級螺栓在空氣中均為發生明顯的應力腐蝕，斷口為典型的“杯錐狀”拉伸斷口。圖10所示為10.9級螺栓和12.9級螺栓在鹽水中的應力腐蝕斷口形貌，可見在3.5%NaCl溶液中均發生不同程度的應力腐蝕，其中12.9級螺栓發生典型的應力腐蝕開裂，再現了案例中螺栓的失效模式。

圖9 螺栓在空氣中應力腐蝕斷口形貌

圖10 螺栓在3.5%NaCl中應力腐蝕斷口形貌

4 結果分析與討論

兩枚斷裂螺栓宏觀斷口極為相似，斷裂均位于螺紋段旋合部位附近，且螺栓存在明的腐蝕現象，斷口表面覆蓋腐蝕產物，經能譜分析，腐蝕產物中含氯、硫等腐蝕性元素。斷裂位置宏觀未見明顯塑性變形，斷口表面可見明顯放射狀痕跡，并收斂于斷口邊緣螺紋牙底部位。裂紋擴展區微觀可見大面積沿晶和準解理形貌，晶面存在腐蝕痕跡。對比失效件和完好件氫的質量分數發現，失效件存在明顯的環境吸氫現象。因此判斷，螺栓的斷裂模式應為吸氫應力腐蝕。

應力腐蝕斷裂是指金屬構件在靜應力和特定的腐蝕環境共同作用下所導致的脆性斷裂。有資料顯示[2]，金屬構件發生應力腐蝕的首要條件是金屬構件在拉應力作用下，其次腐蝕介質與金屬構件相接觸產生應力腐蝕。本案例中，送檢螺栓服役過程中承受拉應力作用，滿足應力腐蝕開裂的力學條件。經檢測，該列車在維保時采用的清洗劑為酸性溶液，能譜分析腐蝕產物中存在S、Cl腐蝕性元素，提供了應力腐蝕的介質條件，從失效件斷裂部位可以看出，腐蝕性介質在螺母旋合部位存在沉積現象，加劇了螺栓局部腐蝕。通過對同批次服役未斷裂件和庫存件氫含量測定結果顯示，螺栓在服役過程中存在明顯的環境吸氫現象，導致應力腐蝕敏感性加劇。

有資料顯示[3-5]，當環境介質中pH降低，將會急劇增加材料應力腐蝕敏感性，且在室溫(25 ℃)附近時敏感性最高，斷裂時間最短。除此之外，本案例中涉及的螺栓性能等級為12.9級，屬于高強度螺栓，對螺栓慢應變應力腐蝕試驗結果表明，較之于10.9級螺栓，12.9級螺栓本身存在較高的應力腐蝕敏感性。

5 結論

(1)螺栓斷裂模式為吸氫應力腐蝕。

(2)導致應力腐蝕產生的主要原因為環境中存在腐蝕性介質。

(3)在預緊力滿足設計要求的情況下建議選擇腐蝕敏感性較低的10.9級螺栓。