轴箱弹簧座下压盖板紧固螺栓的断裂原因分析

逯连文，刘晓琴，杨 建，丁术涛

(长春轨道客车股份有限公司 质量保证部理化检验室，吉林 长春 130062)

轴箱弹簧座下压盖板紧固螺栓的断裂原因分析

逯连文，刘晓琴，杨 建，丁术涛

(长春轨道客车股份有限公司 质量保证部理化检验室，吉林 长春 130062)

某地铁客车轴箱弹簧座下压盖板紧固螺栓在运行中发生断裂，对断裂件、相邻位置完好螺栓和新螺栓进行检测和分析。结果表明，断裂螺栓的螺纹牙底有滚丝折叠缺陷，这是导致其早期多源疲劳断裂的主要原因；该断裂螺栓相邻位置完好螺栓的螺纹牙底也有滚丝折叠缺陷，证实该批次螺栓存在影响运行安全的质量问题；所检测的新螺栓满足技术要求，可以装车使用。

紧固螺栓；螺纹牙底；滚丝折叠缺陷；疲劳断口

1 概 述

某地铁客车在运行中发生轴箱弹簧座下压盖板的紧固螺栓断裂，其中，螺栓六角头部分的断裂件已丢失，螺杆部分的断裂件仍保留在其螺栓孔内，现场分别将断裂螺栓和其相邻位置完好螺栓以及新螺栓取回。该螺栓尺寸为M16×55，强度等级8.8级，表面镀锌，紧固扭矩是150N·m。该螺栓在实际应用中是将下压盖板与轴箱减振弹簧座连接在一起，对轴箱弹簧座上的轴箱减振弹簧起到限位作用，防止其发生窜动、甚至脱出，确保行车安全。

2 试验与分析

2.1 外观检查

断裂螺栓和其相邻位置完好螺栓以及新螺栓的外观形貌见图1。螺栓断裂位置发生在距离螺栓末端约27mm的螺纹牙底处，即位于螺栓受力最大的连接螺纹处。

图1 螺栓的外观形貌

断裂螺栓的断口形貌见图2。断口比较平坦，无明显的塑性变形。在断口上可看到有明显的疲劳弧线，疲劳裂纹源区有多条放射台阶棱线，具有多源疲劳断裂特征。瞬断区所占整个断口表面面积很小，仅在断口一侧边缘处可见有很小的塑性撕裂区[1]。

图2 断裂螺栓的断口形貌

2.2 成分分析

螺栓的成分分析结果见表1。断裂螺栓和其相邻位置完好螺栓的分析结果符合35K钢的材质要求，新螺栓的化学成分分析结果符合GB/T 3077标准中40Cr钢的材质要求。

表1 螺栓材质化学成分分析结果

2.3 性能检测

断裂螺栓的硬度检测值为28.6HRC、28.5HRC、28.3HRC，符合GB/T 3098.1标准中8.8级螺栓的要求。完好螺栓、新螺栓的实物拉伸的断口均为正常的塑性断口，最大拉伸载荷分别为126kN、148kN，均符合GB/T 3098.1标准中8.8级螺栓的要求(最小拉伸载荷125kN)。

2.4 金相检测

断裂螺栓的裂纹起始区有氧化脱碳现象，在其邻近的螺纹牙底检测到有折叠缺陷，见图3、图4。检测完好螺栓的螺纹牙底也有折叠缺陷，见图5，检测新螺栓的螺纹牙底完好。

图3 断裂螺栓裂纹起始区脱碳250×

GB/T 5779.3-2000《紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 特殊要求》规定，任何深度或长度的折叠不允许在螺纹牙底部位出现[2]。

断裂螺栓、完好螺栓和新螺栓的基体组织均为正常的回火索氏体。

3 结果分析

综合上述分析结果表明，断裂螺栓的裂纹源起

图4 断裂螺栓源区相邻螺纹根部折叠形貌250×

图5 完好螺栓螺纹根部折叠形貌250×

始于其受力最大位置的螺纹牙底处，断口上有明显的疲劳弧线和多条放射台阶棱线，说明该螺栓是属于多源疲劳断裂。金相检测断裂螺栓的裂纹起始区有氧化脱碳，邻近的螺纹牙底检测到有折叠缺陷，在此折叠两侧也可见有氧化脱碳。

由于该螺栓在受力最大位置的螺纹牙底部位

存在有折叠缺陷，在螺纹牙底部位的折叠缺陷破坏了螺栓螺纹表面的完整性，引起应力集中，最终导致该螺栓在此折叠缺陷处形成疲劳裂纹源并进行扩展，直至其最后发生疲劳断裂。

检测其相邻位置完好螺栓的螺纹牙底也有折叠缺陷，说明该批次螺栓在滚丝加工过程中存在有滚丝折叠缺陷，应全部更换。

新螺栓的各项理化性能指标的检测结果均合格。由于新螺栓40Cr中碳合金钢的综合性能要显著优于35K中碳钢，且检测其螺纹表面既无滚丝加工缺陷，也无热处理表面缺陷，因此，可以采用新螺栓更换此批有质量问题的螺栓。

4 结 论

断裂螺栓的螺纹牙底存在有折叠缺陷，这是其发生早期多源疲劳断裂的主要原因。相邻位置完好螺栓的检测结果证实，该批次螺栓中存在有质量问题。检测新螺栓满足技术要求，可以装车使用。

[1]胡世炎,等.机械失效分析手册[M].四川:四川科学技术出版社,1989:314.

[2]GB/T 5779.3-2000 紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 特殊要求[S].

Analysis of Fastening Bolt Fracture Located under Lower Cover Plate of Axel Box Spring

Lu Lianwen, Liu Xiaoqin, Yang Jian, Ding Shutao

(CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd. Changchun 130062, Jilin, China)

The fastening bolt fracture appears under the lower cover plate of a subway vehicle axel box spring. The purpose of this study is to detect and analyze the defect of the fractured bolt, the adjacent non-defective bolt and the other new bolt. The test results can be concluded as follows. On the location of the fractured bolt, there are some folding defects detected on the thread root, which caused the fatigue crack in the initial service stage. On the location of the adjacent non-defective bolt, the folding defects also exist which conclude all this batch of bolts have defect. In the meantime, we finally detect that there are no cracks in the other new batch of bolts, which can be assembled to the vehicle for service.

fastening bolt; thread root; rolled thread folding defect; fatigue crack

2016-10-14

逯连文(1962-)，男，吉林长春人，工程硕士，高级工程师，主要从事理化金相检验、失效分析工作。

U260.331+.7

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.011