高強(qiáng)度螺栓連接是繼鉚接、焊接之后發(fā)展起來的一種鋼結(jié)構(gòu)連接形式,具有施工簡單、可拆卸、承載大、耐疲勞、安全等優(yōu)點(diǎn).因此,高強(qiáng)度螺栓連接已發(fā)展成為鋼結(jié)構(gòu)工程安裝的主要手段某重型汽車推力桿螺栓在裝配過程中發(fā)生斷裂失效,螺栓材料為４２CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼,裝配力矩要求為(５３５±５０)N?m,加工工藝過程為熱墩成型→磨滾花直徑→滾花→熱處理→酸洗→磨光桿→滾螺紋→探傷→鍍鋅→包裝。為了找出該高強(qiáng)度螺栓斷裂失效的原因,筆者采用斷口宏微觀分析、金相檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)等方法,對該斷裂失效螺栓進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,以避免類似斷裂失效的再次發(fā)生.
１ 理化檢驗(yàn)
１．１ 斷口宏觀觀察
斷裂螺栓的整體形貌如圖１所示,斷口宏觀形貌如圖２所示,螺母宏觀形貌如圖３所示.可見斷裂發(fā)生在螺栓頭桿結(jié)合部,螺栓其余部位未見磕碰、彎曲等異常;斷口不平齊,斷面上無先期斷口,無宏觀塑性變形;螺栓頭部墊圈部位不均勻附著黑色污物,此污物應(yīng)為裝配時與推力桿擠壓、摩擦而黏附的推力桿表面漆膜.
１．２ 化學(xué)成分分析
為確定高強(qiáng)度螺栓化學(xué)成分是否合格,從斷裂高強(qiáng)度螺栓及同批次新件上取樣,經(jīng)三棱落地砂輪機(jī)打磨,采用ARL３４６０型金屬分析儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１.可見該高強(qiáng)度螺栓各元素含量均符合GB/T３０７７－１９９９?合金結(jié)構(gòu)鋼?對４２CrMo鋼成分的技術(shù)要求.
１．３ 硬度試驗(yàn)
對該斷裂螺栓及同批次６件完好的高強(qiáng)度螺栓的六角面進(jìn)行硬度試驗(yàn),６件完好的高強(qiáng)度螺栓所用材料、熱處理工藝均與斷裂螺栓一致,只是長度不一致.根據(jù)螺栓長度的不一致,分別命名為長１,長２,中１,中２,短１,短２.經(jīng)三棱落地砂輪機(jī)和不同粒度砂紙打磨,采用TH３２０洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn),結(jié)果見表２.可見該斷裂螺栓與６件完好螺栓的硬度均符合GB/T３０９８．１－２０１０技術(shù)要求,但接近上限.
１．４ 金相檢驗(yàn)
分別從該高強(qiáng)度螺栓斷裂件、同批次新螺栓件上取樣,試樣經(jīng)拋光、侵蝕后在OlympusGX５１F型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察,圖４是斷裂高強(qiáng)度螺栓的基體顯微組織形貌,圖５是同批次新螺栓件的基體顯微組織形貌.可見所有螺栓的基體顯微組織均為中等粗細(xì)的、均勻的回火索氏體及塊狀鐵素體.
１．５ 最小拉力載荷試驗(yàn)
采用型號為CMT５３０５的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)分別對長１,長２,短１,短２螺栓進(jìn)行最小拉力載荷試驗(yàn)及緊固件保證應(yīng)力試驗(yàn),結(jié)果如下.
(１)長１螺栓:加載至最小拉力載荷３３．２kN并且保持１５s,繼續(xù)加載至最大拉力載荷３６．６kN時于螺紋段未旋合處斷裂;
(２)長２螺栓:加載至最小拉力載荷３３．２kN并且保持１５s,繼續(xù)加載至最大拉力載荷３６．５kN時于螺紋段未旋合處斷裂;
(３)短１螺栓:加載至最小拉力載荷３３．２kN并且保持１５s,繼續(xù)加載至最大拉力載荷３５．５kN時于螺紋段未旋合處斷裂;
(４)短２螺栓:加載至最小拉力載荷３３．２kN并且保持１５s,繼續(xù)加載至最大拉力載荷３６．３kN時于螺紋段未旋合處斷裂.
上述試驗(yàn)結(jié)果均符合GB/T３０９８．１－２０１０?緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱?中的相關(guān)技術(shù)要求.
１．６ 沖擊試驗(yàn)
隨機(jī)抽取兩個同批次未經(jīng)使用的高強(qiáng)度螺栓,分別命名為１號螺栓和２號螺栓,并加工成標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣棒,采用ZBCＧ２３０２Ｇ２型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),結(jié)果見表３.可見其沖擊吸收能量符合GB/T３０９８．１－２０１０?緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱?中的相關(guān)技術(shù)要求.
１．７ 斷口微觀形貌分析
將斷裂的高強(qiáng)度螺栓斷口用超聲波清洗后置于SEM６６１０掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行觀察,斷口微觀形貌如圖６所示.可見其開裂部位有很多撕裂棱,以解理形貌為主,另存在沿晶斷裂特征及韌窩形貌,未發(fā)現(xiàn)氫脆斷裂的典型特征形貌[２].未經(jīng)使用的高強(qiáng)度螺栓的沖擊試樣斷口微觀形貌如圖７所示,可見,其微觀形貌也是以解理和韌窩為主.
１．８ 裝配扭矩測試
在裝配現(xiàn)場用經(jīng)計(jì)量校驗(yàn)合格的扭矩扳手隨機(jī)對７件安裝完畢的螺栓進(jìn)行擰緊扭矩檢測,擰緊扭矩的工藝要求為(５３５±５０)N?m,具體檢測結(jié)果如圖８所示.可見擰緊力矩波動范圍較大,其中４件螺栓的擰緊力矩不符合工藝要求,存在過度擰緊現(xiàn)象,這會增加螺栓發(fā)生一次性斷裂的風(fēng)險.
１．９ 螺栓圓角半徑R 值檢測
從斷裂螺栓同批次未經(jīng)使用的螺栓中隨機(jī)抽?。都侣菟?分別編號為１~６號.用R 規(guī)測量其頭桿結(jié)合處的R 值,檢測結(jié)果見表４.可見,螺栓的六角頭部與桿部結(jié)合處的R 值波動范圍大,部分螺栓的R 值不能滿足GB/T３０９８．１－２０１０要求,增加了螺栓發(fā)生一次性斷裂的風(fēng)險.
１．１０ 高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)現(xiàn)場考察
為進(jìn)一步查找該高強(qiáng)度螺栓斷裂的原因,對高強(qiáng)度螺栓生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行考察,在螺栓生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度螺栓熱墩模具工作面有R 角成型面磨損、熱疲勞裂紋等缺陷,模具支撐面磨損、銹蝕嚴(yán)重,有用膠帶調(diào)整的現(xiàn)象,如圖９和圖１０所示,且生產(chǎn)現(xiàn)場未對螺栓頭桿結(jié)合部R 值進(jìn)行控制.這些缺陷使得模具無法保證螺栓同軸度、垂直度等尺寸穩(wěn)定性,會對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響,增加螺栓發(fā)生斷裂的風(fēng)險.
２ 分析與討論
通過以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,該螺栓的化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能和硬度均符合GB/T３０９８．１－２０１０技術(shù)要求,但是硬度偏高,接近上限.斷口的宏、微觀分析結(jié)果表明,斷裂是從應(yīng)力集中程度較高的螺紋槽圓弧倒角處啟裂,啟裂部位有很多撕裂棱,以解理形貌為主,且存在沿晶斷裂特征,該螺栓在受力時發(fā)生沿晶斷裂.斷口的宏、微觀分析結(jié)果還表明,當(dāng)斷裂從裂紋源處啟裂之后,裂紋以快速、失穩(wěn)方式進(jìn)行擴(kuò)展直至斷裂.材料內(nèi)部存在晶粒偏粗,晶界偏
析的缺陷,導(dǎo)致了材料實(shí)際應(yīng)用應(yīng)力降低,這也是裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展的先決條件.微裂紋的形成與冶煉時除氣、造渣不徹底有關(guān).理化檢驗(yàn)結(jié)果還表明,螺栓的裝配扭緊力矩波動范圍大,存在過擰現(xiàn)象;螺栓頭桿結(jié)合處圓角半徑R 值波動大,部分不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,螺栓生產(chǎn)過程中存在不能有效控制尺寸精度的問題.以上所有因素最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂。
３ 結(jié)論及建議
該螺栓基體硬度偏高,頭桿結(jié)合處螺栓倒角處圓角半徑偏小,在大扭矩的裝配下,扭轉(zhuǎn)和彎曲綜合應(yīng)力使得螺栓從應(yīng)力集中程度較高的螺紋槽圓弧倒角處啟裂,隨后裂紋以快速、失穩(wěn)的方式進(jìn)行擴(kuò)展,直至螺栓最終斷裂.
建議將螺栓基體硬度控制在技術(shù)規(guī)范要求的靠近下限的范圍內(nèi),使螺栓保證強(qiáng)度的同時,韌性也得到一定的改善;在不影響裝配的情況下,適當(dāng)增加圓角半徑R 值,同時要求螺栓生產(chǎn)廠家嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)要求加工R 角,保證該尺寸的符合性及穩(wěn)定性;在螺栓裝配時,嚴(yán)格按照工藝文件的要求進(jìn)行操作,以防止裝配扭矩過大的情況發(fā)生.
本文作者：齊延生,胡曉峰,王 靜,慕 松
(陜西重型汽車有限公司,西安)
文章來源：智能緊固件及緊固工具
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