某地铁转向架连接螺栓发生断裂，至发生断裂时螺栓服役约4a(年)。图1为该断裂的地铁转向架连接螺栓的宏观形貌。连接螺栓的规格为8.8级M30，符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》技术要求。为了查明该地铁转向架连接螺栓的断裂原因，来自上海材料研究所检测中心和上海市工程材料应用与评价重点实验室的孙明正对其进行了一系列的检验和分析，以期类似事故不在发生。

图1 断裂螺栓及同批次未断裂螺栓的宏观形貌

1 理化检验

1.1 宏观观察

将断裂螺栓的断口置于体视显微镜下观察，其断口宏观形貌如图2所示。图2中可见裂纹起源于螺纹根部，具有多源台阶特征；瞬断区位于裂纹源区的对侧，具有剪切特征；中间的裂纹扩展区较为平坦，可见贝壳纹，为疲劳断裂的宏观形貌特征。图2中还可见断裂螺栓的两个裂纹源区的外侧螺纹的原始镀层表面已损伤，而中间一块区域的螺纹表面镀层情况完好，这种现象说明了断裂螺栓旋合后，其螺纹与配合的内螺纹孔的螺纹接触面不均匀，因此在裂纹源区会有额外的弯曲受力情况。

图2 断口宏观形貌

图3为断裂螺栓侧面的宏观形貌，可见螺纹表面残留有较多的螺纹胶。

图3 断裂螺栓侧面宏观形貌

1.2 化学成分分析

在断裂螺栓上取样进行化学成分分析，根据结果可见其化学成分符合GB/T 3098.1—2010对8.8级螺栓的成分要求。

1.3 拉伸试验

在同批次未断裂螺栓上取样进行拉伸试验，结果见表1。可见其拉伸性能符合GB/T 3098.1—2010对8.8级螺栓的技术要求。

表1 同批次未断裂螺栓的拉伸性能

1.4 断口分析

将断裂螺栓的断口清洗后置于扫描电镜(SEM)下观察，图4为断口的两个裂纹源区的SEM形貌，可见有台阶特征。裂纹扩展区的SEM形貌见图5，可见其上有大致平行的二次裂纹，符合疲劳断裂的微观形貌特征。最后瞬断区的SEM形貌见图6，可见其上呈韧窝特征。

图4 裂纹源区SEM形貌

图5 裂纹扩展区SEM形貌

图6 瞬断区SEM形貌

1.5 金相分析

截取断口剖面试样，经镶嵌、磨抛及浸蚀后置于光学显微镜下观察,其断口处显微组织形貌如图7所示。可见该断裂螺栓的螺纹顶部脱碳现象较为严重，从顶部至螺纹工作(受力)面再到螺纹根部都有脱碳现象，螺纹根部脱碳相对较轻。

图7 断口处显微组织形貌

2 分析与讨论

断裂螺栓的化学成分及力学性能满足相关技术要求。由断口的宏观形貌和SEM 形貌可知，该螺栓断口具有典型的疲劳断裂特征区域。断裂螺栓裂纹源区位于螺纹根部，具有多源台阶特征；断口的瞬断区位于裂纹源区的对侧，具有韧窝特征；中间的裂纹扩展区较为平坦，可见贝壳纹及大致平行的二次裂纹。断裂螺栓的两个裂纹源区的外侧螺纹的原始镀层表面已损伤，而中间一块区域的螺纹表面镀层情况完好，这种现象说明了断裂螺栓旋合后，由于未对内螺纹孔残留的螺纹胶进行检查和清理，其螺纹与配合的内螺纹孔的螺纹接触面不均匀，会有额外的弯曲受力情况。综上可知，该断裂螺栓的断裂性质为弯曲疲劳断裂。

另外螺纹根部存在轻微的脱碳现象，脱碳处抗疲劳性能很低，在使用过程中很容易在脱碳表层应力集中处萌生疲劳裂纹源。在上述这两个因素的共同作用下，再加上在列车行驶时振动所产生的交变载荷，该转向架连接螺栓于应力集中的螺纹根部萌生裂纹，并在疲劳载荷作用下裂纹扩展，最终发生断裂。

3 结论及建议

该螺栓的断裂性质为弯曲疲劳断裂，裂纹起源于螺纹根部。安装时未及时检查清理内螺纹孔的残留螺纹胶导致螺栓受力不均，以及螺纹根部存在轻微脱碳现象，再加上列车行驶时振动所产生的交变载荷，该地铁转向架连接螺栓于螺纹根部萌生裂纹，并在疲劳载荷作用下裂纹扩展，最终发生断裂。

建议更换转向架连接螺栓时，对原有残留在内螺纹孔的螺纹胶进行彻底清理，并检查内螺纹的完整性；严格控制螺栓的质量，避免脱碳等缺陷的存在。