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(wǎng)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(fā)現(xiàn)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(guī)格為M16×120，性能等級為12.9級，表面經(jīng)達克羅處理，該動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(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(qū)域進一步分析，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(qū)和C區(qū)微觀形貌，可見斷口B區(qū)均為沿晶+準解理形貌，斷口C區(qū)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(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(chǎn)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(shù)為1.4 ppm、1.5 ppm，而未使用庫存件氫的質量分數(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(huán)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(guī)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(shù)與在介質中慢拉伸曲線上同一參數(shù)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(shù)比值，計算出的應力腐蝕敏感指數(shù)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(shù)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?？梢姡?2.9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(fā)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(fā)生不同程度的應力腐蝕，其中12.9級螺栓發(fā)生典型的應力腐蝕開裂，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(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。裂紋擴展區(qū)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(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(huán)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(fā)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(xiàn)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(huán)境吸氫現(xiàn)象，導致應力腐蝕敏感性加劇。

有資料顯示[3-5]，當環(huán)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(chǎn)生的主要原因為環(huán)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。