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高強度螺栓斷裂失效分析

來源:http://www.degu-web.net 日期:2019-12-03 發布人:wanzhong1

  高強度螺栓斷裂失效分析
  韓志良
  (常州機電職業技術學院機械系,常州213012)
  馬紅衛,丁燕君
  (常柴股份有限公司理化室,常州213002)
  摘 要:針對裝配現場發生的幾起高強度螺栓斷裂失效事故,采用金相分析、化學成分分析和力學性能測試等方法進行檢測。分析結果認為螺栓失效的原因有:(1)螺紋成形時產生裂紋,螺栓因之而脆斷;(2)桿部與頭部交接處表面脫碳、使局部強度降低而斷裂;(3)裝配時扭矩過大,螺栓明顯縮頸而斷裂;(4)原材料存在裂紋。
  關鍵詞:螺栓;裂紋;扭轉;脫碳
  高強度螺栓是發動機緊固件中更重要的零件之一,如連桿螺栓、缸蓋螺栓、主軸承蓋螺栓,要求強度等級為10.9級,有的甚至達12.9級。但在實際使用中,高強度螺栓(簡稱螺栓)斷裂失效也時有發生。筆者就發生在裝配過程中的四起高強度螺栓斷裂失效逐一進行分析。
  1 195連桿螺栓斷裂失效分析
  195連桿螺栓裝配時斷裂于螺紋處。從斷口上看,斷口平直,無縮頸,幾乎沒有裂紋萌生區,全部為瞬斷區。零件供應商進行了失效分析,認為裝配時連桿螺紋內夾入異物,阻礙了螺紋的擰緊,導致裝配扭矩過大而斷裂。
  1.1 斷口分析
  由于斷口表現出極大的脆性,如果是基于扭緊力矩過大而斷裂,斷口應表現出良好的塑性,因為擰緊時螺栓主要受扭轉應力,而扭轉試驗的應力狀態的柔性系數較大(大于拉伸試驗),材料易于塑性變形,而失效的螺栓并未表現出塑性。另外,斷裂源也不在齒根部,而是有所偏離。
  1.2 化學成分和顯微組織分析
  螺栓材料牌號為40Cr鋼,強度等級10.9級,硬度要求32~38HRC,金相組織要求1~3級(JB/T8837-2000)。經檢驗,螺栓化學成分(質量分數)符合GB/T3077-1988之規定,見表1。顯微組織為細的回火索氏體,按JB/T8837-2000評定為1級,其硬度值為34HRC和35HRC,硬度和顯微組織均符合技術條件規定。經磁粉探傷未發現磁痕。
  將螺栓從桿部與頭部交接處縱向剖開,經金相制樣、觀察,結果在大部分螺紋的根部均有裂紋,即在斷口附近和遠離斷口的螺紋處均存在裂紋,裂紋位置偏離“真正的”齒根部,裂紋的兩側無貧碳和脫碳,說明裂紋的形成與調質處理無關,見圖1和圖2。由于裂紋細小且位于螺紋根部,常規磁粉探傷未發現磁痕。
  1 螺紋根部之裂紋(未侵蝕) 20×            圖2 螺紋根部組織 400×
  4%硝酸酒精溶液侵蝕
  1.3 試驗與討論
  為判定裂紋的形成原因,另取同批量、同型號但未使用過的連桿螺栓進行縱剖面金相分析,結果在部分螺紋根部也存在裂紋,因此判定此裂紋系滾齒成型時造成的。這與滾輪使用次數過多,滾齒加工能力下降有關,經查該批滾輪已超期服役。
  由于螺紋根部存在裂紋,因此在裝配擰緊時螺栓表現出較大的脆性,發生脆性斷裂,而滾輪超期服役,其滾齒加工能力下降則是失效的主要因素。
  2 缸蓋螺栓斷裂失效分析
  某單位生產的強度等級為10.9級的缸蓋螺栓,在裝配時發生斷裂,送樣要求分析原因。
  2.1 斷口分析
  兩缸蓋螺栓(分別編1號和2號)斷裂位置均在桿部和頭部交接處,裝配擰緊時螺栓主要受扭轉載荷,此時,主應力與軸線成45°,而切應力則與軸線垂直。從斷口看,裂紋開始區與軸線成45°角,表現為扭轉時的正斷斷口,是正應力作用的結果。而瞬斷區與軸線垂直,瞬斷區面積占總斷口面積的絕大部分,說明斷裂時應力較大或材料強度不足。
  2.2 化學成分和顯微組織分析
  螺栓材料牌號為40Cr鋼,硬度要求32~38HRC,金相組織要求1~3級(JB/T8837-2000)。經檢驗,1號缸蓋螺栓化學成分(質量分數)符合GB/T3077-1988之規定,見表1。兩螺栓基體組織均為細的回火索氏體,按JB/T8837-2000評定,組織為1級,符合其1~3級之技術條件規定。邊緣組織中晶界清晰可見,但其顏色明顯比其它部位淺,估計表面存在脫碳層,其中2號螺栓更為明顯,見圖3。
  兩螺栓均殘留帶狀組織,帶狀組織中還有非金屬夾雜物,1號螺栓的帶狀組織見圖4,其間的硫化物類夾雜物清晰可見,但均在規定范圍之內。
  2.3 顯微硬度測試
  經磁粉探傷,未發現磁痕。經測定,1號螺栓硬度值為34HRC,2號螺栓硬度值為36HRC和37HRC,符合32~38HRC技術條件規定。由于螺栓已經過調質處理,所以僅根據金相組織來判定邊緣是否存在脫碳層似乎尚缺證據。為證實邊緣是否存在脫碳層,對邊緣和部位進行了顯微硬度測試,結果見表2。
  圖3 2號螺栓組織,邊緣顏色較淺 65×     圖4 1號螺栓的帶狀組織 130×
  4%硝酸酒精溶液浸蝕
  表2 螺栓邊緣及處顯微硬度值
  從表中可見,邊緣硬度低于硬度,進一步證實了邊緣存在脫碳層。邊緣碳含量的降低,使侵蝕程度下降,因而顏色較淺且晶界清晰可見。雖然螺栓在調質后對其表面進行了機加工,以去除熱加工所產生的脫碳層,但在桿部與頭部交接處往往難以用機械加工去除脫碳層,結果在桿和頭部的交接處保留了脫碳層。
  2.4 分析與討論
  由于應力位于螺栓邊緣,而邊緣存在脫碳,降低了邊緣的強度。雖然螺栓允許存在一定量的脫碳層,但脫碳層的存在對螺栓服役總是不利的。由于裂紋源于脫碳處,那么脫碳則成為該螺栓斷裂失效的主要因素之一。
  3 主軸承蓋螺栓斷裂失效分析
  發動機主軸承蓋螺栓,在裝配擰緊時斷裂失效。螺栓材料牌號為40Cr鋼,硬度要求30~35HRC,金相組織要求1~3級(JB/T8837-2000)。
  3.1 理化分析
  觀察三支斷裂螺栓的斷口,均存在回旋狀塑性變形痕跡,為扭轉斷口,是以扭轉為主的扭轉和拉伸之混合斷口。裂紋起源于螺紋齒根處,斷口處均有明顯的縮頸。而縮頸的產生,表明試樣的載荷達到值(抗拉強度)后,在試樣的某一部位截面開始急劇縮小,隨后變形主要集中于縮頸附近。所以縮頸的存在,一方面說明螺栓有良好的塑性和韌性,另一方面說明服役載荷很大,已超過試樣的抗拉強度。
  主軸承蓋螺栓化學成分分析結果見表1,符合GB/T3077-1988之規定。
  桿部硬度值為32HRC和33HRC,符合30~35HRC技術條件規定。金相組織為細而均勻的回火索氏體,按JB/T8837-2000,組織級別為1級,符合其1~3級之技術條件規定。經磁粉探傷未發現磁痕。
  將三支斷裂螺栓縱向剖開進行金相觀察,螺紋表面無脫碳,但螺紋齒根處均存在微裂紋,長約0.05~0.10mm,裂紋均存在于距斷口3~4個螺距范圍的縮頸區,縮頸區以外的齒根處則無裂紋。
  3.2 拉伸試驗
  取與斷裂螺栓同批供貨的兩支未使用的螺栓進行拉伸試驗,其抗拉強度分別為1103MPa和1126MPa,符合10.9級的強度等級要求。將試樣縱向剖開進行金相分析,在距斷口3~5個螺距范圍內的縮頸區,其齒根處存在裂紋,而縮頸區以外的齒根處則無裂紋,可見該裂紋是拉伸時形成的。
  取三支未使用的同批螺栓,也取其縱剖面進行金相分析,在螺紋齒根處均未發現裂紋。
  3.3 分析與討論
  斷裂試樣的硬度和強度均符合螺栓10.9級的強度等級要求,金相組織也正常,所以螺栓材質正常。從拉伸試驗和未使用的同批螺栓的金相分析結果看,縮頸不是由于材料強度不足而產生的。由于裂紋均產生于斷裂試樣的縮頸處,縮頸以外的螺紋處無裂紋,則該裂紋是螺栓擰緊時載荷過大(超過材料的抗拉強度)所致。經查,斷裂螺栓的裝配扭矩達146N·m,超過了120N·m的極限規定。
  綜上所述,螺栓斷裂失效的原因是螺栓服役載荷(扭矩)過大,已超過其抗拉強度。
  4 1110連桿螺栓斷裂失效分析
  螺栓于裝配時斷裂,材料為35CrMo鋼,強度等級10.9級,硬度要求30~35HRC,金相組織要求1~3級(JB/T8837-2000)。
  經檢驗,1110連桿螺栓化學成分(質量分數)符合GB/T3077-1988之規定,見表1。硬度為35HRC,符合32~38HRC技術條件規定。經磁粉探傷,在螺栓表面發現細小裂紋。
  將試樣縱向剖開(0.5R處),顯微鏡下觀察發現螺栓齒根部無脫碳,顯微組織為細而均勻的回火索氏體,按JB/T8837-2000,組織級別為1級,符合其1~3級之技術條件規定。但是,在縱剖面上有許多沿晶裂紋,裂紋兩側無脫碳。絕大多數裂紋位于試樣區域,斷口處的數條裂紋也位于區域,估計螺栓存在裂紋。
  對螺栓橫向間隔取樣進行金相分析,在數個磨面上均有裂紋,且裂紋存在于螺栓見圖5。由于裂紋位于螺栓的,較為封閉,雖經淬火、回火,但裂紋兩側無貧碳或脫碳。
  圖5 試樣橫截面裂紋形貌(未蝕,負片) 3×
  由于試樣的回火索氏體組織細小,裂紋趨向很“柔”,且裂紋源于試樣,可確定裂紋的產生與調質處理無關。裂紋周圍未發現夾雜類缺陷,裂紋存在位置和趨向確與“軸向晶間裂紋”類同,故該裂紋屬原材料缺陷。
  5 結論
  (1)所分析的螺栓的成分、牌號均符合GB/T3077-1988之規定,硬度、金相組織也符合技術條件要求,說明熱處理工藝及其操作合理。
  (2)螺栓失效原因:①195連桿螺栓斷裂的直接原因是滾輪的滾齒能力下降導致產生裂紋,而滾輪超期服役則是關健因素;②缸蓋螺栓斷裂原因是其桿部和頭部交接處的貧脫碳所致;③主軸承蓋螺栓的斷裂則是擰緊時扭矩過大造成;④1110連桿螺栓斷裂是原材料存在裂紋所致。
  (3)上述螺栓失效,很大程度上是源于質量管理的疏忽,如滾輪的超期服役、裝配扭矩過大,理化檢驗的欠認真、細致等。
  (4)連桿螺栓的金相檢驗按JB/T8837-2000進行,其它高強度螺栓也可參照進行。雖然JB/T8837-2000對脫碳層未作規定,但在螺栓的技術條件中對脫碳層有明確規定。因此,可根據要求在試樣縱面上進行脫碳檢驗,方法有金相法和顯微硬度法。如果195連桿螺栓按要求進行脫碳層的檢驗,其裂紋和缸蓋螺栓的貧、脫碳則可檢驗出來。

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