軌道車輛制動(dòng)鉗螺栓斷裂失效分析與應(yīng)力腐蝕敏感性評(píng)估

宮垂玉 祁永東 沈趙琴 徐 鑫 蔣達(dá)磊

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

制動(dòng)盤制動(dòng)也稱之為安全制動(dòng)，該設(shè)計(jì)即便在外界接觸網(wǎng)故障無電時(shí)也能夠正常使用，確保動(dòng)車組能夠安全停車，是動(dòng)車組的重要安全部件，其工作原理是制動(dòng)卡鉗抱住制動(dòng)盤摩擦，達(dá)到減速的目的。每個(gè)制動(dòng)卡鉗上由兩個(gè)M16×120的螺栓固定。2019年11月份，某型號(hào)軌道車輛維保人員在例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)多例制動(dòng)鉗緊固螺栓斷裂，下文對(duì)斷裂螺栓、未斷裂螺栓及同批的庫存螺栓進(jìn)行了檢測(cè)和分析，以期明確其斷裂原因的同時(shí)，對(duì)該部位螺栓應(yīng)力腐蝕敏感性進(jìn)行了評(píng)估，并提出改進(jìn)建議。

1 斷口分析

1.1 宏觀分析

該批螺栓材質(zhì)為40CrNiMo，規(guī)格為M16×120，性能等級(jí)為12.9級(jí)，表面經(jīng)達(dá)克羅處理，該動(dòng)車組均服役于東南部沿海地區(qū)，從服役至發(fā)現(xiàn)斷裂間隔約6個(gè)月。螺栓實(shí)物如圖1所示，將其分別編號(hào)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(yán)重。

采用體視顯微鏡對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(qū)域和剪切唇區(qū)，平坦區(qū)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(fā)生明顯銹蝕，表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，因兩例斷口相似，故任選一件進(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(gè)區(qū)域進(jìn)一步分析，其中A區(qū)為裂紋源區(qū)，可見放射痕跡收斂于A區(qū)邊緣，B區(qū)為裂紋擴(kuò)展區(qū)，C區(qū)為最終斷裂區(qū)，與螺栓軸向約呈45°。

圖4 斷口低倍形貌

圖5(a)所示為A區(qū)微觀形貌，可見裂紋源區(qū)為“冰糖狀”沿晶形貌特征，晶面存在腐蝕痕跡。裂紋源區(qū)附近的螺紋底部存在腐蝕凹坑(虛線框標(biāo)記處)，如圖5(b)所示。對(duì)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(qū)和C區(qū)微觀形貌，可見斷口B區(qū)均為沿晶+準(zhǔn)解理形貌，斷口C區(qū)為韌窩形貌。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 金相組織分析

對(duì)斷裂螺栓取樣進(jìn)行金相分析，從圖7(a)可見斷裂螺栓螺紋完整，未發(fā)現(xiàn)脫碳、增碳及表面不連續(xù)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(qū)及表面微觀形貌

圖6 斷口微觀形貌

圖7 螺栓金相組織

對(duì)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(dá)克羅涂層剖面，可見該部位達(dá)克羅涂層完好且均勻，平均厚度約13.5 μm，符合產(chǎn)品技術(shù)要求(≥5 μm)。圖8(b)所示為螺栓斷口附近螺紋處腐蝕較嚴(yán)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(cè)

對(duì)螺栓進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果如表1所示?？梢姳砻嬗捕燃靶静坑捕染稀癎B/T 3098.1”中對(duì)12.9級(jí)螺栓的硬度要求。

表1 硬度檢測(cè)結(jié)果

2.3 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)送檢螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。 符合“GB/T 3077—2015 合金結(jié)構(gòu)鋼”標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)40CrNiMo的元素含量要求。采用惰性氣體熔融熱導(dǎo)法測(cè)定斷裂螺栓氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4 ppm、1.5 ppm，而未使用庫存件氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6 ppm，說明螺栓在服役過程中存在環(huán)境吸氫現(xiàn)象。

3 慢應(yīng)變應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

對(duì)斷裂螺栓的分析結(jié)果顯示，該螺栓失效機(jī)理為酸性環(huán)境中的吸氫應(yīng)力腐蝕。該部位螺栓最先采用8.8級(jí)螺栓，后因結(jié)構(gòu)升級(jí)設(shè)計(jì)更改為12.9級(jí)螺栓。對(duì)同規(guī)格的10.9級(jí)螺栓和12.9級(jí)螺栓在空氣和3.5%氯化鈉溶液中進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，探究了兩種等級(jí)螺栓在不同介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕敏感性。

表2 試樣化學(xué)成分結(jié)果 /%

原則上講，只要空氣中的慢拉伸曲線上任何一個(gè)參數(shù)與在介質(zhì)中慢拉伸曲線上同一參數(shù)進(jìn)行比較，其比較值都可以用來表征材料在該介質(zhì)中的抗應(yīng)力腐蝕能力，李景勝等[1]的研究結(jié)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(shù)比值，計(jì)算出的應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)能更真實(shí)、更準(zhǔn)確地表征材料在特定介質(zhì)中的抗應(yīng)力腐蝕性能，因此文中應(yīng)力腐蝕敏感系數(shù)采用以下公式計(jì)算。

式中：σSCC、δSCC分別為介質(zhì)中應(yīng)力與應(yīng)變，σ0、δ0分別為空氣中應(yīng)力和應(yīng)變。

對(duì)比兩種等級(jí)的螺栓，4枚12.9級(jí)螺栓的應(yīng)力腐蝕敏感性指標(biāo)分別為0.14、0.12、0.11和0.13。而4枚10.9級(jí)螺栓的應(yīng)力腐蝕敏感性指標(biāo)分別為0.08、0.06、0.09和0.05。可見，12.9級(jí)螺栓的應(yīng)力腐蝕敏感值高于10.9級(jí)螺栓。

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

圖9 螺栓在空氣中應(yīng)力腐蝕斷口形貌

圖10 螺栓在3.5%NaCl中應(yīng)力腐蝕斷口形貌

4 結(jié)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(xiàn)象，斷口表面覆蓋腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)能譜分析，腐蝕產(chǎn)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(kuò)展區(qū)微觀可見大面積沿晶和準(zhǔn)解理形貌，晶面存在腐蝕痕跡。對(duì)比失效件和完好件氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn)，失效件存在明顯的環(huán)境吸氫現(xiàn)象。因此判斷，螺栓的斷裂模式應(yīng)為吸氫應(yīng)力腐蝕。

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

有資料顯示[3-5]，當(dāng)環(huán)境介質(zhì)中pH降低，將會(huì)急劇增加材料應(yīng)力腐蝕敏感性，且在室溫(25 ℃)附近時(shí)敏感性最高，斷裂時(shí)間最短。除此之外，本案例中涉及的螺栓性能等級(jí)為12.9級(jí)，屬于高強(qiáng)度螺栓，對(duì)螺栓慢應(yīng)變應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，較之于10.9級(jí)螺栓，12.9級(jí)螺栓本身存在較高的應(yīng)力腐蝕敏感性。

5 結(jié)論

(1)螺栓斷裂模式為吸氫應(yīng)力腐蝕。

(2)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的主要原因?yàn)榄h(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)。

(3)在預(yù)緊力滿足設(shè)計(jì)要求的情況下建議選擇腐蝕敏感性較低的10.9級(jí)螺栓。