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高强度螺栓断裂失效分析

来源:http://www.xjnwz.com 日期:2019-12-03 发布人:

  高强度螺栓断裂失效分析
  韩志良
  (常州机电职业技术学院机械系,常州213012)
  马红卫,丁燕君
  (常柴股份有限公司理化室,常州213002)
  摘 要:针对装配现场发生的几起高强度螺栓断裂失效事故,采用金相分析、化学成分分析和力学性能测试等方法进行检测。分析结果认为螺栓失效的原因有:(1)螺纹成形时产生裂纹,螺栓因之而脆断;(2)杆部与头部交接处表面脱碳、使局部强度降低而断裂;(3)装配时扭矩过大,螺栓明显缩颈而断裂;(4)原材料存在裂纹。
  关键词:螺栓;裂纹;扭转;脱碳
  高强度螺栓是发动机紧固件中更重要的零件之一,如连杆螺栓、缸盖螺栓、主轴承盖螺栓,要求强度等级为10.9级,有的甚至达12.9级。但在实际使用中,高强度螺栓(简称螺栓)断裂失效也时有发生。笔者就发生在装配过程中的四起高强度螺栓断裂失效逐一进行分析。
  1 195连杆螺栓断裂失效分析
  195连杆螺栓装配时断裂于螺纹处。从断口上看,断口平直,无缩颈,几乎没有裂纹萌生区,全部为瞬断区。零件供应商进行了失效分析,认为装配时连杆螺纹内夹入异物,阻碍了螺纹的拧紧,导致装配扭矩过大而断裂。
  1.1 断口分析
  由于断口表现出极大的脆性,如果是基于扭紧力矩过大而断裂,断口应表现出良好的塑性,因为拧紧时螺栓主要受扭转应力,而扭转试验的应力状态的柔性系数较大(大于拉伸试验),材料易于塑性变形,而失效的螺栓并未表现出塑性。另外,断裂源也不在齿根部,而是有所偏离。
  1.2 化学成分和显微组织分析
  螺栓材料牌号为40Cr钢,强度等级10.9级,硬度要求32~38HRC,金相组织要求1~3级(JB/T8837-2000)。经检验,螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定,见表1。显微组织为细的回火索氏体,按JB/T8837-2000评定为1级,其硬度值为34HRC和35HRC,硬度和显微组织均符合技术条件规定。经磁粉探伤未发现磁痕。
  将螺栓从杆部与头部交接处纵向剖开,经金相制样、观察,结果在大部分螺纹的根部均有裂纹,即在断口附近和远离断口的螺纹处均存在裂纹,裂纹位置偏离“真正的”齿根部,裂纹的两侧无贫碳和脱碳,说明裂纹的形成与调质处理无关,见图1和图2。由于裂纹细小且位于螺纹根部,常规磁粉探伤未发现磁痕。
  1 螺纹根部之裂纹(未侵蚀) 20×            图2 螺纹根部组织 400×
  4%硝酸酒精溶液侵蚀
  1.3 试验与讨论
  为判定裂纹的形成原因,另取同批量、同型号但未使用过的连杆螺栓进行纵剖面金相分析,结果在部分螺纹根部也存在裂纹,因此判定此裂纹系滚齿成型时造成的。这与滚轮使用次数过多,滚齿加工能力下降有关,经查该批滚轮已超期服役。
  由于螺纹根部存在裂纹,因此在装配拧紧时螺栓表现出较大的脆性,发生脆性断裂,而滚轮超期服役,其滚齿加工能力下降则是失效的主要因素。
  2 缸盖螺栓断裂失效分析
  某单位生产的强度等级为10.9级的缸盖螺栓,在装配时发生断裂,送样要求分析原因。
  2.1 断口分析
  两缸盖螺栓(分别编1号和2号)断裂位置均在杆部和头部交接处,装配拧紧时螺栓主要受扭转载荷,此时,主应力与轴线成45°,而切应力则与轴线垂直。从断口看,裂纹开始区与轴线成45°角,表现为扭转时的正断断口,是正应力作用的结果。而瞬断区与轴线垂直,瞬断区面积占总断口面积的绝大部分,说明断裂时应力较大或材料强度不足。
  2.2 化学成分和显微组织分析
  螺栓材料牌号为40Cr钢,硬度要求32~38HRC,金相组织要求1~3级(JB/T8837-2000)。经检验,1号缸盖螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定,见表1。两螺栓基体组织均为细的回火索氏体,按JB/T8837-2000评定,组织为1级,符合其1~3级之技术条件规定。边缘组织中晶界清晰可见,但其颜色明显比其它部位浅,估计表面存在脱碳层,其中2号螺栓更为明显,见图3。
  两螺栓均残留带状组织,带状组织中还有非金属夹杂物,1号螺栓的带状组织见图4,其间的硫化物类夹杂物清晰可见,但均在规定范围之内。
  2.3 显微硬度测试
  经磁粉探伤,未发现磁痕。经测定,1号螺栓硬度值为34HRC,2号螺栓硬度值为36HRC和37HRC,符合32~38HRC技术条件规定。由于螺栓已经过调质处理,所以仅根据金相组织来判定边缘是否存在脱碳层似乎尚缺证据。为证实边缘是否存在脱碳层,对边缘和部位进行了显微硬度测试,结果见表2。
  图3 2号螺栓组织,边缘颜色较浅 65×     图4 1号螺栓的带状组织 130×
  4%硝酸酒精溶液浸蚀
  表2 螺栓边缘及处显微硬度值
  从表中可见,边缘硬度低于硬度,进一步证实了边缘存在脱碳层。边缘碳含量的降低,使侵蚀程度下降,因而颜色较浅且晶界清晰可见。虽然螺栓在调质后对其表面进行了机加工,以去除热加工所产生的脱碳层,但在杆部与头部交接处往往难以用机械加工去除脱碳层,结果在杆和头部的交接处保留了脱碳层。
  2.4 分析与讨论
  由于应力位于螺栓边缘,而边缘存在脱碳,降低了边缘的强度。虽然螺栓允许存在一定量的脱碳层,但脱碳层的存在对螺栓服役总是不利的。由于裂纹源于脱碳处,那么脱碳则成为该螺栓断裂失效的主要因素之一。
  3 主轴承盖螺栓断裂失效分析
  发动机主轴承盖螺栓,在装配拧紧时断裂失效。螺栓材料牌号为40Cr钢,硬度要求30~35HRC,金相组织要求1~3级(JB/T8837-2000)。
  3.1 理化分析
  观察三支断裂螺栓的断口,均存在回旋状塑性变形痕迹,为扭转断口,是以扭转为主的扭转和拉伸之混合断口。裂纹起源于螺纹齿根处,断口处均有明显的缩颈。而缩颈的产生,表明试样的载荷达到值(抗拉强度)后,在试样的某一部位截面开始急剧缩小,随后变形主要集中于缩颈附近。所以缩颈的存在,一方面说明螺栓有良好的塑性和韧性,另一方面说明服役载荷很大,已超过试样的抗拉强度。
  主轴承盖螺栓化学成分分析结果见表1,符合GB/T3077-1988之规定。
  杆部硬度值为32HRC和33HRC,符合30~35HRC技术条件规定。金相组织为细而均匀的回火索氏体,按JB/T8837-2000,组织级别为1级,符合其1~3级之技术条件规定。经磁粉探伤未发现磁痕。
  将三支断裂螺栓纵向剖开进行金相观察,螺纹表面无脱碳,但螺纹齿根处均存在微裂纹,长约0.05~0.10mm,裂纹均存在于距断口3~4个螺距范围的缩颈区,缩颈区以外的齿根处则无裂纹。
  3.2 拉伸试验
  取与断裂螺栓同批供货的两支未使用的螺栓进行拉伸试验,其抗拉强度分别为1103MPa和1126MPa,符合10.9级的强度等级要求。将试样纵向剖开进行金相分析,在距断口3~5个螺距范围内的缩颈区,其齿根处存在裂纹,而缩颈区以外的齿根处则无裂纹,可见该裂纹是拉伸时形成的。
  取三支未使用的同批螺栓,也取其纵剖面进行金相分析,在螺纹齿根处均未发现裂纹。
  3.3 分析与讨论
  断裂试样的硬度和强度均符合螺栓10.9级的强度等级要求,金相组织也正常,所以螺栓材质正常。从拉伸试验和未使用的同批螺栓的金相分析结果看,缩颈不是由于材料强度不足而产生的。由于裂纹均产生于断裂试样的缩颈处,缩颈以外的螺纹处无裂纹,则该裂纹是螺栓拧紧时载荷过大(超过材料的抗拉强度)所致。经查,断裂螺栓的装配扭矩达146N·m,超过了120N·m的极限规定。
  综上所述,螺栓断裂失效的原因是螺栓服役载荷(扭矩)过大,已超过其抗拉强度。
  4 1110连杆螺栓断裂失效分析
  螺栓于装配时断裂,材料为35CrMo钢,强度等级10.9级,硬度要求30~35HRC,金相组织要求1~3级(JB/T8837-2000)。
  经检验,1110连杆螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定,见表1。硬度为35HRC,符合32~38HRC技术条件规定。经磁粉探伤,在螺栓表面发现细小裂纹。
  将试样纵向剖开(0.5R处),显微镜下观察发现螺栓齿根部无脱碳,显微组织为细而均匀的回火索氏体,按JB/T8837-2000,组织级别为1级,符合其1~3级之技术条件规定。但是,在纵剖面上有许多沿晶裂纹,裂纹两侧无脱碳。绝大多数裂纹位于试样区域,断口处的数条裂纹也位于区域,估计螺栓存在裂纹。
  对螺栓横向间隔取样进行金相分析,在数个磨面上均有裂纹,且裂纹存在于螺栓见图5。由于裂纹位于螺栓的,较为封闭,虽经淬火、回火,但裂纹两侧无贫碳或脱碳。
  图5 试样横截面裂纹形貌(未蚀,负片) 3×
  由于试样的回火索氏体组织细小,裂纹趋向很“柔”,且裂纹源于试样,可确定裂纹的产生与调质处理无关。裂纹周围未发现夹杂类缺陷,裂纹存在位置和趋向确与“轴向晶间裂纹”类同,故该裂纹属原材料缺陷。
  5 结论
  (1)所分析的螺栓的成分、牌号均符合GB/T3077-1988之规定,硬度、金相组织也符合技术条件要求,说明热处理工艺及其操作合理。
  (2)螺栓失效原因:①195连杆螺栓断裂的直接原因是滚轮的滚齿能力下降导致产生裂纹,而滚轮超期服役则是关健因素;②缸盖螺栓断裂原因是其杆部和头部交接处的贫脱碳所致;③主轴承盖螺栓的断裂则是拧紧时扭矩过大造成;④1110连杆螺栓断裂是原材料存在裂纹所致。
  (3)上述螺栓失效,很大程度上是源于质量管理的疏忽,如滚轮的超期服役、装配扭矩过大,理化检验的欠认真、细致等。
  (4)连杆螺栓的金相检验按JB/T8837-2000进行,其它高强度螺栓也可参照进行。虽然JB/T8837-2000对脱碳层未作规定,但在螺栓的技术条件中对脱碳层有明确规定。因此,可根据要求在试样纵面上进行脱碳检验,方法有金相法和显微硬度法。如果195连杆螺栓按要求进行脱碳层的检验,其裂纹和缸盖螺栓的贫、脱碳则可检验出来。