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      【失效分析】地鐵轉向架連接螺栓突然斷裂

      嘉峪檢測網        2021-10-25 22:37

         某地鐵轉向架連接螺栓發生斷裂,至發生斷裂時螺栓服役約4a(年)。圖1為該斷裂的地鐵轉向架連接螺栓的宏觀形貌。連接螺栓的規格為8.8級M30,符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》技術要求。為了查明該地鐵轉向架連接螺栓的斷裂原因,來自上海材料研究所檢測中心和上海市工程材料應用與評價重點實驗室的孫明正對其進行了一系列的檢驗和分析,以期類似事故不在發生。

       

      【失效分析】地鐵轉向架連接螺栓突然斷裂

       

      圖1 斷裂螺栓及同批次未斷裂螺栓的宏觀形貌

       

      1 理化檢驗

       

      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中可見裂紋起源于螺紋根部,具有多源臺階特征;瞬斷區位于裂紋源區的對側,具有剪切特征;中間的裂紋擴展區較為平坦,可見貝殼紋,為疲勞斷裂的宏觀形貌特征。圖2中還可見斷裂螺栓的兩個裂紋源區的外側螺紋的原始鍍層表面已損傷,而中間一塊區域的螺紋表面鍍層情況完好,這種現象說明了斷裂螺栓旋合后,其螺紋與配合的內螺紋孔的螺紋接觸面不均勻,因此在裂紋源區會有額外的彎曲受力情況。

       

      【失效分析】地鐵轉向架連接螺栓突然斷裂

       

      圖2 斷口宏觀形貌

       

            圖3為斷裂螺栓側面的宏觀形貌,可見螺紋表面殘留有較多的螺紋膠。

       

      【失效分析】地鐵轉向架連接螺栓突然斷裂

       

      圖3 斷裂螺栓側面宏觀形貌

       

      1.2 化學成分分析

       

           在斷裂螺栓上取樣進行化學成分分析,根據結果可見其化學成分符合GB/T 3098.1—2010對8.8級螺栓的成分要求。

       

      1.3 拉伸試驗

       

           在同批次未斷裂螺栓上取樣進行拉伸試驗,結果見表1??梢娖淅煨阅芊螱B/T 3098.1—2010對8.8級螺栓的技術要求。

       

      表1 同批次未斷裂螺栓的拉伸性能

       

      【失效分析】地鐵轉向架連接螺栓突然斷裂

       

      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為斷口的兩個裂紋源區的SEM形貌,可見有臺階特征。裂紋擴展區的SEM形貌見圖5,可見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。最后瞬斷區的SEM形貌見圖6,可見其上呈韌窩特征。

       

      【失效分析】地鐵轉向架連接螺栓突然斷裂

       

      圖4 裂紋源區SEM形貌

       

      【失效分析】地鐵轉向架連接螺栓突然斷裂

       

      圖5 裂紋擴展區SEM形貌

       

      【失效分析】地鐵轉向架連接螺栓突然斷裂

       

      圖6 瞬斷區SEM形貌

       

      1.5 金相分析

       

           截取斷口剖面試樣,經鑲嵌、磨拋及浸蝕后置于光學顯微鏡下觀察,其斷口處顯微組織形貌如圖7所示??梢娫摂嗔崖菟ǖ穆菁y頂部脫碳現象較為嚴重,從頂部至螺紋工作(受力)面再到螺紋根部都有脫碳現象,螺紋根部脫碳相對較輕。

       

      【失效分析】地鐵轉向架連接螺栓突然斷裂

       

      圖7 斷口處顯微組織形貌

       

      2 分析與討論

       

           斷裂螺栓的化學成分及力學性能滿足相關技術要求。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域。斷裂螺栓裂紋源區位于螺紋根部,具有多源臺階特征;斷口的瞬斷區位于裂紋源區的對側,具有韌窩特征;中間的裂紋擴展區較為平坦,可見貝殼紋及大致平行的二次裂紋。斷裂螺栓的兩個裂紋源區的外側螺紋的原始鍍層表面已損傷,而中間一塊區域的螺紋表面鍍層情況完好,這種現象說明了斷裂螺栓旋合后,由于未對內螺紋孔殘留的螺紋膠進行檢查和清理,其螺紋與配合的內螺紋孔的螺紋接觸面不均勻,會有額外的彎曲受力情況。綜上可知,該斷裂螺栓的斷裂性質為彎曲疲勞斷裂。

       

           另外螺紋根部存在輕微的脫碳現象,脫碳處抗疲勞性能很低,在使用過程中很容易在脫碳表層應力集中處萌生疲勞裂紋源。在上述這兩個因素的共同作用下,再加上在列車行駛時振動所產生的交變載荷,該轉向架連接螺栓于應力集中的螺紋根部萌生裂紋,并在疲勞載荷作用下裂紋擴展,最終發生斷裂。

       

      3 結論及建議

       

           該螺栓的斷裂性質為彎曲疲勞斷裂,裂紋起源于螺紋根部。安裝時未及時檢查清理內螺紋孔的殘留螺紋膠導致螺栓受力不均,以及螺紋根部存在輕微脫碳現象,再加上列車行駛時振動所產生的交變載荷,該地鐵轉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展,最終發生斷裂。

       

           建議更換轉向架連接螺栓時,對原有殘留在內螺紋孔的螺紋膠進行徹底清理,并檢查內螺紋的完整性;嚴格控制螺栓的質量,避免脫碳等缺陷的存在。

       

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      來源:理化檢驗物理分冊

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