高强度拉铆钉异常断裂分析

文 华，王 霞

(眉山中车紧固件科技有限公司，四川 眉山 620010)

目前我国铁路货车及城轨动车组的紧固件连接方式部分采用拉铆钉进行紧固连接。拉铆钉为组合件，包括拉铆钉和套环，连接时采用铆枪将拉铆钉拉断，依靠拉铆钉断裂时产生的力量(即拉断力)将套环挤压变形，达到紧固连接的作用[2]。铁路货车中使用的高强度拉铆钉，其硬度要求为41～53 HRC，制造材料为ML35钢，规格为φ6 mm，制造工艺为下料→拉拔→冷镦成型→搓丝→淬火→低温回火→余温发黑→成品。

拉铆钉热处理后进行拉断力检测，参照标准GB/T 228中的《金属拉伸试验方法》由工装将试样两端夹住，在拉力试验机沿轴向力将拉铆钉环槽部分拉断，环槽断裂所需的最大拉应力为该拉铆钉的拉断力。对拉铆钉进行拉伸试验，在没有达到断裂最大拉伸力时，拉铆钉发生断裂。对断裂拉铆钉进行失效分析与研究，查找原因，并提出相关的措施与建议，避免类似质量问题发生。

1 失效原因分析

1.1 化学成分分析

分别取拉断力合格与不合格的拉铆钉各1个，使用ICP测量Cr、Si、Mn、P含量，碳硫分析仪测量C、S的含量，测量结果见表1。结果表明：合格与不合格拉铆钉试样的原材料化学成分均符合GB/T 6478—2015《冷镦和冷挤压用钢》中对ML35钢成分的要求，微量元素P、S的含量也低于优质钢中对P、S元素的标准要求[2]。

表1 试样化学成分(质量分数，%)

1.2 硬度检验

在拉断力合格与不合格的拉铆钉上截取试样，采用洛氏硬度计进行硬度检测，合格和不合格试样平均硬度值分别为47.5 HRC和47.7 HRC，硬度值均在41～53 HRC的范围内，符合技术要求。

1.3 金相组织分析

采用拉力试验机拉断拉铆钉，垂直于断裂截面切取纵向试样，经粗磨、精磨、抛光和4%硝酸酒精溶液腐蚀后，用电子金相显微镜观察其组织形貌。图1(a)、1(b)分别为合格与不合格拉铆钉试样心部的组织形貌，金相组织均为回火马氏体，组织均匀，与所用热处理工艺获得的该材料正常金相组织一致[3]。图1(c)、1(d)分别为合格与不合格拉铆钉试样螺纹的组织形貌，发现不合格铆钉的螺纹表面比基体更容易侵蚀呈黑色，表明铆钉表面存在增碳现象。

(a)合格试样心部，500×；(b)不合格试样心部，500×；(c)合格试样螺纹，100×；(d)不合格试样螺纹，100×图1 试样金相组织(a)qualified sample at center，500×；(b)unqualified sample at center，500×；(c)qualified sample thread，100×；(d)unqualified sample thread，100×Fig.1 Microstructure of samples

1.4 显微硬度分析

采用线切割机截取垂直于断裂截面长度为10 mm的试样，经打磨、抛光后，按GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》的要求，采用显微硬度法对螺纹进行增碳测试。显微硬度值测试结果如表2所示，不合格拉铆钉螺纹的第1、3测试点的硬度实测值分别为468 HV和558 HV。标准中未增碳的硬度值要求为：第3测试点的维氏硬度值应等于或小于第1点维氏硬度值加上30 HV。可见不合格拉铆钉的增碳不能满足标准要求，表面硬度高于心部硬度90 HV，表明拉铆钉表面有严重增碳现象。

表2 显微硬度值(HV)

1.5 断口形貌分析

利用拉力试验机拉断拉铆钉，采用扫描电镜观察断口宏观形貌。合格试样和不合格试样的宏观断口形貌如图2(a)、2(b)所示，断口平直，均未见明显腐蚀氧化痕迹；断口裂纹源均在拉铆钉环槽边缘处，拉铆钉受拉力时环槽部位处在三向应力状态下，环槽边缘处应力最大先形成裂纹，然后在三向应力作用下快速扩展形成平直断口[4]。

(a)合格试样；(b)不合格试样图2 拉铆钉断口宏观形貌18×(a) qualified sample; (b) unqualified sampleFig.2 The macro morphology of pull rivet fracture 18×

合格与不合格拉铆钉试样断口微观形貌如图3、图4所示。从图3(a)可以看出，合格试样裂纹源区微观形貌为剪切韧窝状。由于拉铆钉在拉伸试验中，环槽部位无法产生塑性变形，此时环槽会受到剪切应力，处于三向应力状态，在剪切应力的作用下，环槽边缘处最先形成裂纹。从图3(b)可以看出，拉铆钉裂纹扩展区的微观形貌为准解理形貌，并可见局部有晶间二次裂纹，表明拉铆钉存在一定脆性。

(a)裂纹源区，680×；(b)扩展区，300×图3 合格试样断口微观形貌(a) crack source area 680×; (b) extension area 300×Fig.3 The micro morphology of qualified sample fracture

(a)裂纹源区，300×；(b)裂纹源区，1500×；(c)裂纹源区，3000×；(d)扩展区，300×图4 不合格试样断口微观形貌(a)crack source area，300×；(b)crack source area，1500×；(c)crack source area，3000×；(d)extension area，300×Fig.4 The micro morphology of unqualified sample fracture

从图4(a)可以看出，不合格拉铆钉表面的裂纹源区并无疏松、夹杂等冶金缺陷，断面形貌以沿晶断裂为主。进一步放大观察裂纹源区可见冰糖状的沿晶断裂特征，局部存在沿晶的二次裂纹，见图4(b)。值得注意，在沿晶断口上可见明显显微空洞、撕裂棱线和韧窝，属于氢脆断裂的典型特征，见图4(c)。不合格拉铆钉的中心部位裂纹扩展区，其断面微观形貌为准解理形貌，与合格拉铆钉试样扩展区断面形貌一致，见图4(d)。

1.6 氢含量检测

为进一步确定断裂原因，取拉断力合格与不合格的拉铆钉各1个，使用红外测氢分析仪测量拉铆钉的H含量，测量结果见表3。结果表明，不合格拉铆钉内部的H含量比合格拉铆钉内部的H含量高出了80%以上。

表3 试样氢含量

2 分析与讨论

合格与不合格拉铆钉试样的化学成分均符合国家标准要求，金相组织与该材料热处理工艺获得的正常金相组织一致。金相及显微硬度分析表明，不合格铆钉试样表面有明显增碳现象，增碳后表面硬度达到了558 HV，这将导致拉铆钉表面脆性变大，塑性降低，增加了氢脆敏感性。

通过断口微观形貌分析可以看出，不合格拉铆钉试样表面裂纹源区的微观形貌为冰糖状的沿晶断裂，且在沿晶断口上存在显微空洞、撕裂棱线和韧窝，符合氢脆断裂的基本特征。通过H含量检测发现，不合格铆钉内部的H含量为1.5×10-6，但由于H含量的测量结果为整个拉铆钉内部的H含量，因此拉铆钉表面的H含量必然大于表3中的测量数值。不合格拉铆钉内部的H含量比合格拉铆钉的H含量高出了80%以上。一般情况下的高强度钢制零件中，含氢量在5×10-6～10×10-6就容易产生氢脆裂纹，但如果强度过高，即使H含量低于5×10-6，也会产生氢脆[5]。

结合拉铆钉的加工工艺流程及制造工艺进行调查分析。生产现场采用可控气氛连续式网带热处理炉进行拉铆钉淬火+回火热处理，通过现场记录调查时发现，生产合格拉铆钉时的淬火炉碳势平均值在0.33，而生产不合格拉铆钉时的淬火炉碳势平均值在0.63。淬火炉采用的是甲醇(CH3OH)裂解保护气氛，当碳势较高时，此时的甲醇流量必然会大于正常值，炉内的H含量也会随之增加，从而导致了拉铆钉在热处理过程中产生吸氢、表面增碳。

从上述对比分析看出，拉铆钉异常断裂的主要原因是淬火时碳势控制不良，碳势值远高于铆钉自身的含碳量，造成拉铆钉表面吸氢、增碳严重，增碳严重导致拉铆钉表面脆性变大，塑性降低，增加氢脆敏感性，进一步造成拉铆钉氢脆断裂。

3 结论与措施

拉铆钉在热处理过程中由于碳势控制不良引起的表面增碳严重、吸氢导致拉铆钉发生氢脆断裂。可以通过严格控制淬火炉碳势范围、改进碳势控制设备、增加甲醇裂解罐清理频次来改进：

1)淬火炉碳势范围要求由原来的0.3～0.6改进为±0.05(如ML35钢碳势范围应为0.3～0.4)，从而避免拉铆钉在热处理过程中产生表面增碳、吸氢；

2)改进碳势控制阀门为电磁阀控制，由计算机根据当前碳势值自动控制甲醇流量，从而减少人为因素影响；

3)增加甲醇裂解罐的清理频次，由原来的1季度清理1次改进为每月清理1次，减少炉中的碳黑，确保炉内碳势值控制稳定。经过整改后重新生产的拉铆钉未再出现过此类质量问题。