M27螺栓断裂分析

一、概述铁路辙叉连接用的M27紧固件连接副松动、断裂一直是铁路系统关注的问题，它不仅关系到紧固件连接副的使用寿命，更重要的是连接副松动或断裂直接关系到铁路行车安生。作为国家大型铁路辙叉生产企业，浙江某公司对这一问题尤其重视，一直致力寻找一家技术先进，质量可靠的紧固件生产厂家。

    上海底特精密紧固件公司是一家专门从事防松紧固件研究和生产的企业，所生产的产品在铁路行业应用很广。在得知上海底特公司产品可以有效解决紧固件连接副松的问题后，浙江某公司请上海底特公司为其供应铁路辙叉紧固件连接副。连续进行几批供货都没有再发生连接副松动的问题，效果比较显著。

    但是在2005年4月，辙叉安装后吊送室外堆场，事后，发现有一个M27螺栓头部断裂，引起双方高度重视。为了分析螺栓断裂原因，解决问题，避免类似情况的再次发生，上海底特精密紧固件有限公司专程派员深入现场进行调查并对断裂螺栓进行了一系列的测试和分析。螺栓断裂形式见图一。

    二、连接副的技术条件
    1．标准
    M27连接副是按照国家标准GB1228、GB1229、GB1230所规定的要求生产的，其中的螺母是以GB1229为依据，按SPL-CO的标准生产的大凸缘螺母，螺纹和外形尺寸按照施必牢的产品标准。
    2．技术条件
   （1）强度：螺栓强度10.9S级，螺母强度10H级。
   （2）热处理工艺：调质处理。

    三、连接副的检测情况
头部断裂可能产生的原因有多种情况，问部设计缺陷、扭矩超差、材料及原始组织缺陷是产生断裂的主要原因，为了分析断裂，必须做一系列的试验和检测，下面是各种检测的数据及情况：
    1．硬度测试
    螺栓：HRC 32-35
    螺母：HRC 29-32
    垫圈：HRC 41-43
    2．锲负荷试验
   （1）锲垫圈的斜度为10度。
   （2）试验设备：万能材料拉压试验机600KN。
   （3）标准要求：477KN（最小值）。
   （4）模拟实际使用时扭矩1250±50KN扭紧后旋下螺栓进行锲负荷试验。
   （5）测试后全部试样均达到锲负荷的最小要求值。（具体见表一）

    表一   锲负荷测试表

    3．化学分析
    材料牌号：20MnTiB.

    标准化学成分：C：0.17-0.24%  Mn:1.30-1.60%   Ti:0.06-0.12%   B:0.001-0.005%
    经化学分析后：C：0.20%       Mn:1.40%    Ti:0.08%       B:0.002%
    成分符合要求（见上海钢铁工艺技术研究所测试中心的检测报告。编号为Hx50257）

    4．金相分析
    经金相照片分析：
   （1）基本显微组织为：回火索氏体+铁素件。
   （2）从不同的部位取样，可见基体组织中存在裂纹。（见图二）

    结论：裂纹的存在是造成断裂的主要原因。
    四、扭矩、扭矩系数、预拉力之间的关系
    在实际操作中选择扭矩的数据直接影响到安装牢固度。安装扭矩偏大，容易产生应力集中或滑扣，安装扭矩偏小，容易松动。扭矩系数直接影响扭矩，从而涉及到紧固件的可靠度。因此扭矩系数离散不能很大，要相对集中。为了进一步分析断裂的原因，我们在把螺母、垫圈分别进行发黑、磷化、磷皂化三种不同的表面处理，并且做了扭矩试验。

    1．实验数据
   （见表二）

    2．不同表面处理对扭矩系数、预拉力的影响
    扭矩公式 M=K•P•d
    M——安装扭矩Nm
    K——扭矩系数
    P——预拉力KN
    d——螺纹的规格尺寸mm
    按照1250Nm的扭矩，进行了不同的表面处理预拉力数值：
    A：发黑P= 153.3KM=15.6吨。
    B：磷化P=266KN=27.1吨
    C：磷皂化P=389KN=39.7吨。

    3．改进方向
    几种不同的表面的处理，采用同样的安装扭矩，所产生的预拉力数值相差很大，如果要达到铁路系统所规定的拉力，必须改变目前表面处理采用发黑的装态。

    五、分析探讨
    1．宏观分析
    在现场发现辙叉在装配后吊送转放在露天堆场，有一个M27、10.9级的螺栓断头，在断头处的断裂切口有一个白亮层的凹槽。（具体见图三）

     经分析：由于装配时垫圈反装，带圆弧面朝螺母，而带有90度尖角面，对着螺栓的齿根圆，由于有硬度的反差，在安装旋合中，扭矩板力施力，产生一定紧固力，硬度较高的垫圈尖角在外力作用下，卡在硬度较低的螺栓齿根上形成凹坑（在现场断裂处有一条白亮凹坑线），形成新的应力集中，是产生新的裂纹源的原因之一。

    断口处切口比较规则平整，金相照片上可看出回火组织是索氏体+铁素体，回火组织正常，回火也比较充分。在断裂头部现场，已经过雨天泥浆将断面原始状态破坏，从擦洗后断面可见。断口没有见到韧窝，也没有发现不均匀的粗大的晶粒。另外，从宏观照片可看出，断口基本上在白亮的凹坑处产生，除了白亮层的小凹坑是一个断裂的主要原因，还存在其他因素。

    2．测试后分析
    经检测分析后，成分在标准范围内，从几张金相照片中可见，基体组织中都存在不同程度的裂纹。分析后认为，这些微裂纹不是热处理过程中产生的，而是材料本身固有或制造过程中产生的，而是材料本身固有或制造过程中产生的微裂纹。

    当螺栓有凹坑后，再加上材料出现的微裂纹，在外力作用下裂纹会不断扩展，直到断裂。这次M27联接副在旋合过程中受到扭力作用裂纹不断地扩展，当辙叉吊装后放下的一瞬间受到堆击时受到瞬间撞击力，在内外二个因素联合作用下形成了在螺栓头部在齿根圆的凹坑处断裂。

    3．经过一系列试验分析后判断
   （1）凹坑是形成断裂的一个重要因素，而微裂纹存在及其它因素综合作用下是造成螺栓头部断裂的根本原因。

   （2）从锲负荷试验的报告中可见，如果没有其他因素，垫圈反装对螺栓的影响不是致命的，5号到8号试样是垫圈反装后按照实际扭矩（1250KN），进行扭矩试验。为了避免应力所造成的断头现象，所有试样平均超过477KN的锲负荷标准最低要求的20%，结果与垫圈正装时锲负荷试验的数值相仿。8个样品只有一个断裂，而且断裂在杆与第一牙螺纹连接处裂开，属于正常断裂。

   （3）初步认为断头是个别现象，是各种因素综合在一起形成了断裂。（垫圈安装必须符合要求）。

    六、预防和纠正措施
    为了防止类似事件再发生，杜绝安全隐患，我们作了以下技术改进：
    1、在紧固件安装时，必须符合规范要求，垫圈要严格按照技术操作规范要求装配。

    2、铁路辙叉连接用的M27紧固件连接副，强度要求高，螺栓是主要部件，为了增加材料强度及综合性能，10.9S级螺栓  原来使用20MnTiB，为了增加综合机械性能，建议改用35VB的材料。

    3、安装时，扭矩必须达到规定的数值，扭力扳手必须定期校验，扭矩偏小容易松动，扭矩偏大会造成螺栓连接副过拧造成应力集中。应该改变目前的发黑处理状态，改用磷化或磷皂化并辅以表面涂润滑油的处理方式。具体根据铁路上的规定要求来制定具体的安装操作规范。

    4、由于螺栓是我们协作公司生产的，为了加强产品质量，除了规范技术安装要求处，我们同时加强了出厂检验，每批产品完成后我们都派检查员到协作公司生产现场进行各种检查，各项数据合格后，由检验人员出具合格证，才能出厂。
一年多来，M27连接副中，除有一个螺栓由于加工不当，在刚安装时就发生断裂，还有一次发生个别断裂，我们立刻调整了表面润滑状态及安装扭矩，及时进行分析、处理、调整，与用户配合协调，其余各批产品安然无恙。在这一年多中，我们通过完善管理，加强了检验力度，在公司领导及各部门重视和配合下，在使用中确保了产品的质量，为了客户解决了因产品质量存在安全隐患而产生的后顾之忧，受到了客户的好评。

    以上是我们根据实际工作中发生的问题进行分析、研究而得出的经验总结，供各位业内人士参考，有不对之处敬请提出批评指正！