高強度螺栓斷裂失效分析
韓志良
(常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械系，常州213012)
馬紅衛(wèi)，丁燕君
(常柴股份有限公司理化室，常州213002)
摘 要：針對裝配現(xiàn)場發(fā)生的幾起高強度螺栓斷裂失效事故，采用金相分析、化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測試等方法進行檢測。分析結(jié)果認為螺栓失效的原因有:(1)螺紋成形時產(chǎn)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(guān)鍵詞：螺栓；裂紋；扭轉(zhuǎn)；脫碳
高強度螺栓是發(fā)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(fā)生。筆者就發(fā)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(qū)，全部為瞬斷區(qū)。零件供應(yīng)商進行了失效分析，認為裝配時連桿螺紋內(nèi)夾入異物，阻礙了螺紋的擰緊，導(dǎo)致裝配扭矩過大而斷裂。
1.1 斷口分析
由于斷口表現(xiàn)出極大的脆性，如果是基于扭緊力矩過大而斷裂，斷口應(yīng)表現(xiàn)出良好的塑性，因為擰緊時螺栓主要受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，而扭轉(zhuǎn)試驗的應(yīng)力狀態(tài)的柔性系數(shù)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(xiàn)出塑性。另外，斷裂源也不在齒根部，而是有所偏離。
1.2 化學(xué)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(jīng)檢驗，螺栓化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))符合GB/T3077-1988之規(guī)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(shù)條件規(guī)定。經(jīng)磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)磁痕。
將螺栓從桿部與頭部交接處縱向剖開，經(jīng)金相制樣、觀察，結(jié)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(cè)無貧碳和脫碳，說明裂紋的形成與調(diào)質(zhì)處理無關(guān)，見圖1和圖2。由于裂紋細小且位于螺紋根部，常規(guī)磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)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(jié)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(shù)過多，滾齒加工能力下降有關(guān)，經(jīng)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(xiàn)出較大的脆性，發(fā)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(chǎn)的強度等級為10.9級的缸蓋螺栓，在裝配時發(fā)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(zhuǎn)載荷，此時，主應(yīng)力與軸線成45°，而切應(yīng)力則與軸線垂直。從斷口看，裂紋開始區(qū)與軸線成45°角，表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)時的正斷斷口，是正應(yīng)力作用的結(jié)果。而瞬斷區(qū)與軸線垂直，瞬斷區(qū)面積占總斷口面積的絕大部分，說明斷裂時應(yīng)力較大或材料強度不足。
2.2 化學(xué)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(jīng)檢驗，1號缸蓋螺栓化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))符合GB/T3077-1988之規(guī)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(shù)條件規(guī)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(guī)定范圍之內(nèi)。
2.3 顯微硬度測試
經(jīng)磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)磁痕。經(jīng)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(shù)條件規(guī)定。由于螺栓已經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，所以僅根據(jù)金相組織來判定邊緣是否存在脫碳層似乎尚缺證據(jù)。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(jié)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(diào)質(zhì)后對其表面進行了機加工，以去除熱加工所產(chǎn)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(jié)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(yīng)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(fā)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(zhuǎn)斷口，是以扭轉(zhuǎn)為主的扭轉(zhuǎn)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(chǎn)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(xué)成分分析結(jié)果見表1，符合GB/T3077-1988之規(guī)定。
桿部硬度值為32HRC和33HRC，符合30～35HRC技術(shù)條件規(guī)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(shù)條件規(guī)定。經(jīng)磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)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(qū)，縮頸區(qū)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(nèi)的縮頸區(qū)，其齒根處存在裂紋，而縮頸區(qū)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(fā)現(xiàn)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(zhì)正常。從拉伸試驗和未使用的同批螺栓的金相分析結(jié)果看，縮頸不是由于材料強度不足而產(chǎn)生的。由于裂紋均產(chǎn)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(jīng)查，斷裂螺栓的裝配扭矩達146N·m，超過了120N·m的極限規(guī)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(jīng)檢驗，1110連桿螺栓化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))符合GB/T3077-1988之規(guī)定，見表1。硬度為35HRC，符合32～38HRC技術(shù)條件規(guī)定。經(jīng)磁粉探傷，在螺栓表面發(fā)現(xiàn)細小裂紋。
將試樣縱向剖開(0.5R處)，顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)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(shù)條件規(guī)定。但是，在縱剖面上有許多沿晶裂紋，裂紋兩側(cè)無脫碳。絕大多數(shù)裂紋位于試樣區(qū)域，斷口處的數(shù)條裂紋也位于區(qū)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(shù)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(jīng)淬火、回火，但裂紋兩側(cè)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(chǎn)生與調(diào)質(zhì)處理無關(guān)。裂紋周圍未發(fā)現(xiàn)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(jié)論
(1)所分析的螺栓的成分、牌號均符合GB/T3077-1988之規(guī)定，硬度、金相組織也符合技術(shù)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(dǎo)致產(chǎn)生裂紋，而滾輪超期服役則是關(guān)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(zhì)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(guī)定，但在螺栓的技術(shù)條件中對脫碳層有明確規(guī)定。因此，可根據(jù)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。
