某螺纹连接副服役失效原因分析

李艳军，周杰，石大鹏，陈波，辛军华，时杭，赵晨

（河南航天精工制造有限公司，河南 信阳 464000）

机车制动轮盘是保证列车运行的重要部件，由车轮和制动盘组成。制动盘采用螺栓连接的方式固定在辐板上，是高铁制动的阻力来源。轮盘连接螺栓工作状况十分复杂，需要承受自重、温度载荷以及高速旋转带来的动载冲击，一旦螺栓失效，将会导致列车制动异常，后果不堪设想。

机车制动轮盘用十二角头螺栓在服役时出现断裂（以下简称故障件），断裂位置在螺纹收尾处（图1），由于该螺栓的使用在制动盘的关键部位，一旦出现断裂失效，机车的整个制动系统将面临严重的质量事故。针对这一问题，相关人员进行了深入沟通、交流，就螺栓断裂的原因进行了失效分析及机械性能的对比验证，利用先进的研究检测分析技术，明确了螺栓的失效模式及原因，并提供了改进建议。

图1 螺栓断裂样件

1 原因分析

选定故障件和完好件为研究对象，从以下几个方面进行分析，以期得到螺栓失效的根本原因。

1.1 化学成分分析

对故障件与同批次完好螺栓的材料成分进行了ICP分析，具体元素成分含量见表1。由表1可知，故障件与完好件在材料成分上没有差异，经过与标准材料成分对比，螺栓材料符合德国40CrMo4-6材料成分要求，与我国42CrMo、美国B16及日本SCM440等牌号较为接近。

表1 化学成分分析（质量分数/%）

40CrMo4-6钢是中碳合金结构钢，主要用于制造承受冲击、弯扭、高载荷的各种机器中的重要零件，如车辆和发动机的传动件、汽轮发电机的转子、主轴、重载荷的传动轴、大锻面零件、紧固件与基础件等。

1.2 断口分析

对故障件进行宏观断口分析，具体如图2所示。

由于螺栓采用的是氧化处理，由图2（a）可知，故障件表面存在较为完整的黑色氧化层，侧面无折叠、裂纹等损伤，螺栓断裂位置位于螺纹收尾处；图2（b）为断口宏观形貌，断口呈灰白色，断面较为平整，整个断面被分成3个部分，被撕裂台阶分开。

图2 故障件宏观形貌

对故障件进行扫描电镜微观断口分析，具体见图3。

图3 微观断口形貌

图3（a）为宏观断口形貌，断面中心存在较大的撕裂台阶，右侧所占面积较大；图3（b）为裂纹源区形貌，氧化颜色较深，断面平坦光滑；图3（c）为微观裂纹源区，呈放射状条纹；图3（d）为扩展区微观形貌，有平行分布的疲劳弧线（贝壳花样）；图3（e）与（f）为瞬断区特征，所形成的台阶较大且靠近断面中心，表示所受到的外载荷比较大。

从断口的宏观及微观进行分析，故障件断裂形式应为疲劳断裂，断裂源区有3个，三个源区呈点源特征，位于故障件表面，源区有光亮的反光面，有挤压痕迹，附近有贝纹线。扩展区疲劳弧线较为明显，瞬断区靠近断面中心。

1.3 显微组织分析

对故障件进行显微组织、不连续性及非金属夹杂物测试，具体检测结果见图4。

图4 故障件显微组织

图4（a）中显微组织为回火索氏体与残余奥氏体组织，未发现过热、过烧等热处理缺陷；图4（b）螺纹部位表层与心部组织一致，未发现脱碳现象；图4（c）牙顶存在折叠，深度较为0.18mm；由于表面处理方式为氧化处理，处理时间较长，导致螺纹牙底及牙侧局部产生了点腐蚀，深度为0.04mm，如图4（d）与图4（e）所示；图4（f）为纵向非金属夹杂物，主要为硫化物夹杂物，依据GB/T10561《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，可评为A类细系1级。

对同批次完好件做螺纹表面检查，具体检查结果见图5。

由图5可知，该故障件同批次库存螺栓也存在类似问题，基本每一扣螺纹均存在点腐蚀现象，图5（a）腐蚀深度为0.025mm，图5（b）腐蚀深度为0.03mm。点腐蚀的存在破坏了螺纹基体的连续性，在交变应力载荷作用下，形成疲劳裂纹源，致使螺栓发生疲劳断裂。

图5 螺纹部位点腐蚀

对故障件进行了螺纹金属流线及晶粒度检查，具体检查结果见图6。

图6 故障件金属流线及晶粒

图6（a）为头部与螺纹部位金属流线宏观形貌；图6（b）为头、杆结合处金属流线，流线切断较为严重，表明该螺栓头部在镦制成型后，又在头下R处进行了车加工；图6（c）金属流线沿螺纹轮廓变形，且在牙底达到最大密度，表明该批次螺栓螺纹成型方式为热处理后滚压成型；图6（d）为500x晶粒，依据ASTM E112《金属平均晶粒度标准评定方法》，可评为9级，晶粒较为细小、均匀。

1.4 硬度测试

用故障件及同批次3件完好产品，在光杆处截取了一倍光杆直径的长度，进行了洛氏硬度试验，试验方法依据NASM1312-6《紧固件试验方法6 硬度》，实测数据如表2所示。

由表2数据可知，该批次产品硬度符合GB/T3098.1中10.9级要求。

2 断裂机理分析与讨论

（1）从断口宏观与微观分析可知，该故障件裂纹源区有3处，均为点状，有光亮的反光面，裂纹源位于表面，源区未见明显的夹杂物、加工刀痕、机械损伤等缺陷；微观断口表现为明显的疲劳特征，断口附近有贝纹线，扩展区疲劳弧线较为明显。

（2）从显微组织、不连续性、非金属夹杂物、金属流线及晶粒度等分析可知，故障件显微组织为回火索氏体和残余奥氏体组织，无过热、过烧现象，边缘无脱碳现象；非金属夹杂物含量较低，钢材的纯净度较好；头部与杆部结合处金属流线有切断现象，螺纹部位金属流线沿螺纹牙轮廓变形，且在牙底达到最大密度，表明该螺纹为滚压成型；晶粒度为9级，未发现较大晶粒及混晶现象存在。

（3）从硬度测试结果分析可知，故障螺栓与同批次完好螺栓性能符合螺栓10.9级要求。

（4）通过对螺栓螺纹表面检查，发现螺栓表面氧化处理时，导致螺纹牙侧及牙底存在过度腐蚀现象，局部存在点腐蚀，深度为0.04mm。

3 解决措施

（1）优化加工工艺，合理控制产品表面氧化处理参数，防止产品表面腐蚀过度。

（2）产品头部应镦制成型，保证头杆结合处的金属流线连续性，头下R进行滚压强化，提高头杆结合处的强度。

（3）控制机加工余量，保证金属流线的连续性。

（4）热处理后进行滚丝，以便强化螺纹，提高螺纹的抗拉载荷；并通过控制螺纹牙底圆弧半径（不小于0.125P，P为螺距），提高螺纹的疲劳性能。

（5）根据使用环境的要求，选用综合性能更合适的材料，如A286、GH4169等。

4 结语

该机车制动盘用螺栓断裂形式为疲劳断裂，裂纹源位于表面。形成裂纹根本原因为产品表面氧化处理时，腐蚀过度，使螺纹表面形成点腐蚀，机车运行时，在交变载荷的作用下，最终疲劳断裂。