文 華，王 霞

(眉山中車(chē)緊固件科技有限公司，四川 眉山 620010)

目前我國(guó)鐵路貨車(chē)及城軌動(dòng)車(chē)組的緊固件連接方式部分采用拉鉚釘進(jìn)行緊固連接。拉鉚釘為組合件，包括拉鉚釘和套環(huán)，連接時(shí)采用鉚槍將拉鉚釘拉斷，依靠拉鉚釘斷裂時(shí)產(chǎn)生的力量(即拉斷力)將套環(huán)擠壓變形，達(dá)到緊固連接的作用[2]。鐵路貨車(chē)中使用的高強(qiáng)度拉鉚釘，其硬度要求為41～53 HRC，制造材料為ML35鋼，規(guī)格為φ6 mm，制造工藝為下料→拉拔→冷鐓成型→搓絲→淬火→低溫回火→余溫發(fā)黑→成品。

拉鉚釘熱處理后進(jìn)行拉斷力檢測(cè)，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228中的《金屬拉伸試驗(yàn)方法》由工裝將試樣兩端夾住，在拉力試驗(yàn)機(jī)沿軸向力將拉鉚釘環(huán)槽部分拉斷，環(huán)槽斷裂所需的最大拉應(yīng)力為該拉鉚釘?shù)睦瓟嗔Α?duì)拉鉚釘進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在沒(méi)有達(dá)到斷裂最大拉伸力時(shí)，拉鉚釘發(fā)生斷裂。對(duì)斷裂拉鉚釘進(jìn)行失效分析與研究，查找原因，并提出相關(guān)的措施與建議，避免類(lèi)似質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生。

1 失效原因分析

1.1 化學(xué)成分分析

分別取拉斷力合格與不合格的拉鉚釘各1個(gè)，使用ICP測(cè)量Cr、Si、Mn、P含量，碳硫分析儀測(cè)量C、S的含量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明：合格與不合格拉鉚釘試樣的原材料化學(xué)成分均符合GB/T 6478—2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》中對(duì)ML35鋼成分的要求，微量元素P、S的含量也低于優(yōu)質(zhì)鋼中對(duì)P、S元素的標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

表1 試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 硬度檢驗(yàn)

在拉斷力合格與不合格的拉鉚釘上截取試樣，采用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，合格和不合格試樣平均硬度值分別為47.5 HRC和47.7 HRC，硬度值均在41～53 HRC的范圍內(nèi)，符合技術(shù)要求。

1.3 金相組織分析

采用拉力試驗(yàn)機(jī)拉斷拉鉚釘，垂直于斷裂截面切取縱向試樣，經(jīng)粗磨、精磨、拋光和4%硝酸酒精溶液腐蝕后，用電子金相顯微鏡觀察其組織形貌。圖1(a)、1(b)分別為合格與不合格拉鉚釘試樣心部的組織形貌，金相組織均為回火馬氏體，組織均勻，與所用熱處理工藝獲得的該材料正常金相組織一致[3]。圖1(c)、1(d)分別為合格與不合格拉鉚釘試樣螺紋的組織形貌，發(fā)現(xiàn)不合格鉚釘?shù)穆菁y表面比基體更容易侵蝕呈黑色，表明鉚釘表面存在增碳現(xiàn)象。

(a)合格試樣心部，500×；(b)不合格試樣心部，500×；(c)合格試樣螺紋，100×；(d)不合格試樣螺紋，100×圖1 試樣金相組織(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 顯微硬度分析

采用線切割機(jī)截取垂直于斷裂截面長(zhǎng)度為10 mm的試樣，經(jīng)打磨、拋光后，按GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》的要求，采用顯微硬度法對(duì)螺紋進(jìn)行增碳測(cè)試。顯微硬度值測(cè)試結(jié)果如表2所示，不合格拉鉚釘螺紋的第1、3測(cè)試點(diǎn)的硬度實(shí)測(cè)值分別為468 HV和558 HV。標(biāo)準(zhǔn)中未增碳的硬度值要求為：第3測(cè)試點(diǎn)的維氏硬度值應(yīng)等于或小于第1點(diǎn)維氏硬度值加上30 HV?？梢?jiàn)不合格拉鉚釘?shù)脑鎏疾荒軡M足標(biāo)準(zhǔn)要求，表面硬度高于心部硬度90 HV，表明拉鉚釘表面有嚴(yán)重增碳現(xiàn)象。

表2 顯微硬度值(HV)

1.5 斷口形貌分析

利用拉力試驗(yàn)機(jī)拉斷拉鉚釘，采用掃描電鏡觀察斷口宏觀形貌。合格試樣和不合格試樣的宏觀斷口形貌如圖2(a)、2(b)所示，斷口平直，均未見(jiàn)明顯腐蝕氧化痕跡；斷口裂紋源均在拉鉚釘環(huán)槽邊緣處，拉鉚釘受拉力時(shí)環(huán)槽部位處在三向應(yīng)力狀態(tài)下，環(huán)槽邊緣處應(yīng)力最大先形成裂紋，然后在三向應(yīng)力作用下快速擴(kuò)展形成平直斷口[4]。

(a)合格試樣；(b)不合格試樣圖2 拉鉚釘斷口宏觀形貌18×(a) qualified sample; (b) unqualified sampleFig.2 The macro morphology of pull rivet fracture 18×

合格與不合格拉鉚釘試樣斷口微觀形貌如圖3、圖4所示。從圖3(a)可以看出，合格試樣裂紋源區(qū)微觀形貌為剪切韌窩狀。由于拉鉚釘在拉伸試驗(yàn)中，環(huán)槽部位無(wú)法產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)環(huán)槽會(huì)受到剪切應(yīng)力，處于三向應(yīng)力狀態(tài)，在剪切應(yīng)力的作用下，環(huán)槽邊緣處最先形成裂紋。從圖3(b)可以看出，拉鉚釘裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌為準(zhǔn)解理形貌，并可見(jiàn)局部有晶間二次裂紋，表明拉鉚釘存在一定脆性。

(a)裂紋源區(qū)，680×；(b)擴(kuò)展區(qū)，300×圖3 合格試樣斷口微觀形貌(a) crack source area 680×; (b) extension area 300×Fig.3 The micro morphology of qualified sample fracture

(a)裂紋源區(qū)，300×；(b)裂紋源區(qū)，1500×；(c)裂紋源區(qū)，3000×；(d)擴(kuò)展區(qū)，300×圖4 不合格試樣斷口微觀形貌(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

從圖4(a)可以看出，不合格拉鉚釘表面的裂紋源區(qū)并無(wú)疏松、夾雜等冶金缺陷，斷面形貌以沿晶斷裂為主。進(jìn)一步放大觀察裂紋源區(qū)可見(jiàn)冰糖狀的沿晶斷裂特征，局部存在沿晶的二次裂紋，見(jiàn)圖4(b)。值得注意，在沿晶斷口上可見(jiàn)明顯顯微空洞、撕裂棱線和韌窩，屬于氫脆斷裂的典型特征，見(jiàn)圖4(c)。不合格拉鉚釘?shù)闹行牟课涣鸭y擴(kuò)展區(qū)，其斷面微觀形貌為準(zhǔn)解理形貌，與合格拉鉚釘試樣擴(kuò)展區(qū)斷面形貌一致，見(jiàn)圖4(d)。

1.6 氫含量檢測(cè)

為進(jìn)一步確定斷裂原因，取拉斷力合格與不合格的拉鉚釘各1個(gè)，使用紅外測(cè)氫分析儀測(cè)量拉鉚釘?shù)腍含量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，不合格拉鉚釘內(nèi)部的H含量比合格拉鉚釘內(nèi)部的H含量高出了80%以上。

表3 試樣氫含量

2 分析與討論

合格與不合格拉鉚釘試樣的化學(xué)成分均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織與該材料熱處理工藝獲得的正常金相組織一致。金相及顯微硬度分析表明，不合格鉚釘試樣表面有明顯增碳現(xiàn)象，增碳后表面硬度達(dá)到了558 HV，這將導(dǎo)致拉鉚釘表面脆性變大，塑性降低，增加了氫脆敏感性。

通過(guò)斷口微觀形貌分析可以看出，不合格拉鉚釘試樣表面裂紋源區(qū)的微觀形貌為冰糖狀的沿晶斷裂，且在沿晶斷口上存在顯微空洞、撕裂棱線和韌窩，符合氫脆斷裂的基本特征。通過(guò)H含量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，不合格鉚釘內(nèi)部的H含量為1.5×10-6，但由于H含量的測(cè)量結(jié)果為整個(gè)拉鉚釘內(nèi)部的H含量，因此拉鉚釘表面的H含量必然大于表3中的測(cè)量數(shù)值。不合格拉鉚釘內(nèi)部的H含量比合格拉鉚釘?shù)腍含量高出了80%以上。一般情況下的高強(qiáng)度鋼制零件中，含氫量在5×10-6～10×10-6就容易產(chǎn)生氫脆裂紋，但如果強(qiáng)度過(guò)高，即使H含量低于5×10-6，也會(huì)產(chǎn)生氫脆[5]。

結(jié)合拉鉚釘?shù)募庸すに嚵鞒碳爸圃旃に囘M(jìn)行調(diào)查分析。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用可控氣氛連續(xù)式網(wǎng)帶熱處理爐進(jìn)行拉鉚釘淬火+回火熱處理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)記錄調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)合格拉鉚釘時(shí)的淬火爐碳勢(shì)平均值在0.33，而生產(chǎn)不合格拉鉚釘時(shí)的淬火爐碳勢(shì)平均值在0.63。淬火爐采用的是甲醇(CH3OH)裂解保護(hù)氣氛，當(dāng)碳勢(shì)較高時(shí)，此時(shí)的甲醇流量必然會(huì)大于正常值，爐內(nèi)的H含量也會(huì)隨之增加，從而導(dǎo)致了拉鉚釘在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生吸氫、表面增碳。

從上述對(duì)比分析看出，拉鉚釘異常斷裂的主要原因是淬火時(shí)碳勢(shì)控制不良，碳勢(shì)值遠(yuǎn)高于鉚釘自身的含碳量，造成拉鉚釘表面吸氫、增碳嚴(yán)重，增碳嚴(yán)重導(dǎo)致拉鉚釘表面脆性變大，塑性降低，增加氫脆敏感性，進(jìn)一步造成拉鉚釘氫脆斷裂。

3 結(jié)論與措施

拉鉚釘在熱處理過(guò)程中由于碳勢(shì)控制不良引起的表面增碳嚴(yán)重、吸氫導(dǎo)致拉鉚釘發(fā)生氫脆斷裂?？梢酝ㄟ^(guò)嚴(yán)格控制淬火爐碳勢(shì)范圍、改進(jìn)碳勢(shì)控制設(shè)備、增加甲醇裂解罐清理頻次來(lái)改進(jìn)：

1)淬火爐碳勢(shì)范圍要求由原來(lái)的0.3～0.6改進(jìn)為±0.05(如ML35鋼碳勢(shì)范圍應(yīng)為0.3～0.4)，從而避免拉鉚釘在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生表面增碳、吸氫；

2)改進(jìn)碳勢(shì)控制閥門(mén)為電磁閥控制，由計(jì)算機(jī)根據(jù)當(dāng)前碳勢(shì)值自動(dòng)控制甲醇流量，從而減少人為因素影響；

3)增加甲醇裂解罐的清理頻次，由原來(lái)的1季度清理1次改進(jìn)為每月清理1次，減少爐中的碳黑，確保爐內(nèi)碳勢(shì)值控制穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)整改后重新生產(chǎn)的拉鉚釘未再出現(xiàn)過(guò)此類(lèi)質(zhì)量問(wèn)題。