高强度螺栓断裂失效分析.doc

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)原材料中心存在裂纹。
关键词:螺栓;裂纹;扭转;脱碳
 
高强度螺栓是发动机紧固件中最重要的零件之一,如连杆螺栓、缸盖螺栓、主轴承盖螺栓,,。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,全部为最后瞬断区。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。
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。
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,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
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
,在装配时发生断裂,送样要求分析原因。
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