高强度紧固件在连接中失效经常会遇到,失效的模式和原因各种各样,有设计、材料、制造、热处理、装配等多方面原因,多种问题可以归结为三大类:即设计、制造、使用。目前,高强度紧固件企业在材料选择、加工制造、热处理方面等几个方面技术日臻完善,这类问题出现的概率大幅地减少。一般整机行业对紧固件方面不重视.对安装扭矩、摩擦系数扭矩系数及其分配比例知之甚少;这样,往往会在高强度紧固件安装使用中出现一些问题。中华标准件主要分析几种典型的汽车螺纹紧固件失效案例进行分析。
汽车螺纹紧固件常见失效案例:
1、头部R角失效
某型车扭杆弹簧调整支架与车架连接螺栓断裂,螺栓的断裂位置均发生在头部R角处,如图1所示。
对失效螺栓的断口进行分析可知,螺栓均为疲劳断裂,如图2所示。
该螺栓规格M14, 10.9级,硬度检验结果为(34- 36)HRC,符合GB/T 3098.1-2010中的技术要求。该螺栓可能是螺栓头部R角处制造问题,(R角过小导致应力集中),产生的局部应力集中造成疲劳断裂。
对于螺纹紧固件,在GB/T 3098.1-2010中明确规定,在拉伸试验时,螺栓的断裂位置,不应断裂在头部或头部与杆部交接处。为保证头部R角处的强度,在ISO 885中规定了螺栓头下R角的规格"",如表1所示。
对于该螺栓(M14),头部R角的尺寸≥0.6 mm,而实际的R角半径小于规定尺寸。R角设计不合理(或图纸中未规定R角值)以及R角加工缺陷(车削、金属折叠等)均有可能导致R角处强度下降或造成应力集中,导致螺栓头下R角处断裂失效。
2、延迟断裂
某越野车装车后在厂内路试时发生轮胎螺栓断裂现象,行驶里程小于10公里,无负重,螺栓断裂形貌见图3。
对该断裂螺栓进行分析,如图4所示,裂纹萌生于螺栓的R角处,扩展至约1/2R处时开始出现纤维状断口特征,之后裂纹发送了快速扩展。整个断口较为平整,呈典型的脆性断裂特征。
对螺栓断口进行扫描电镜分析可知,该螺栓断口具有典型的沿晶断裂特征,微观形貌呈冰糖状,并且存在一些二次裂纹,应为延迟断裂(氢脆),如图5所示。
该失效螺栓机械性能等级为10.9级,硬度检验结果为(39- 42)HRC。硬度值高,不符合CB/T3098.1-2010中的技术要求。材料的组织、氢和应力状态是高强度螺栓氢致延迟断裂的三个重要因素,尤其是内氢在螺栓根部应力集中处的扩散、富集,是高强度螺栓断裂的主要因素"。
有资料研究表明,材料的氢脆敏感性与其强度、硬度有关,材料的硬度越高,越易发生延迟断裂。应力集中程度.变形比和环境也会对延迟断裂有影响。此外,延迟断裂与使用环境(如潮湿、酸性环境)有关,腐蚀环境下易产生氢气,也会导致螺栓的延迟断裂“。
对于高强度螺栓,在加工过程中要控制热处理工艺,使硬度在合适的范围内,并严格控制氢气的吸人,最好不采用电镀表面处理,推荐采用环保的锌铝涂层处理,耐腐蚀性提高.且可避免氢致延迟断裂的发生。若采用电镀工艺,必须进行除氢处理。
3、材料选 用不当.
某增压型发动机排气歧管双头螺柱在试验过程中发生断裂,如图6所示。断裂双头螺栓材料为40Cr10Si2Mo,属于马氏体型耐热钢。失效螺栓断口如图7所示,该螺栓为典型的疲劳断裂失效。
该双头螺栓断裂原因为材料选用不当,导致螺栓的疲劳断裂。
从不同温度下材料的强度测试结果可知,40Cr10Si2Mo在温度≥500 C时,强度显著下降,而SUH660在温度> 650 C时强度才开始下降,如图8所示。
双头螺栓的金相组织为隐针马氏体+碳化物,SUH660材料的金相组织为奥氏体加碳化物,如图9所示,
对于排气歧管的位置,工作温度较高,40Cr10Si2Mo无法满足排气歧管处的高温环境,建议选用SUH660材料,更适合高温环境下的紧固连接。
4、疲劳断裂
某车燃油箱后托架.上侧螺栓断裂在道路试验过程中发生断裂。根据图纸技术要求,该螺栓为M14, 10.9级,无摩擦系数规定,风动扳手拧紧,拧紧力矩(260- -280)N .m。
试验后螺栓断裂,只提供了一段螺栓,断裂宏观形貌见图10。
螺栓断口形貌见图11。螺栓发生弯曲疲劳断裂,疲劳源位于螺纹牙底表面.因碰撞该区域已破坏。
对螺栓断口进一步分析可知,断口I区可观察到明显的疲劳海滩状弧线,见图12a。从高倍放大形貌中可观察到较多微裂纹,如图12b所示。
断口的II区和I区疲劳海滩状弧线比I区的宽,见图13a和图14a,说明螺栓的应力状态发生变化;高倍放大形貌中也可观察较多的微裂纹,见.图13b和图14b。
IV区断口的微观形貌见图15。该区为螺栓断口的瞬断区,微观形貌为细小的韧窝,说明该螺栓的韧性较好。
螺栓断在螺纹处,为松动后被连接件对螺栓产生了弯矩,进而在交变载荷的作用下产生疲劳.裂纹扩展,最终导致螺栓发生弯曲疲劳断裂。
在实际使用过程中,螺栓因松动导致疲劳断裂的频次最多,影响也最大。
螺栓松动是由于轴向预紧力不足,而影响轴向预紧力因素有:
a、拧紧力矩不合理,如扭矩过小,导致轴向预紧力不足;
b、若拧紧扭矩是合理的,拧紧工具的精度也影响实际的装配效果,如气动工具的精度误差为土50%,拧紧扭矩在下限时,可能会导致预紧力不足;
c、螺栓未规定摩擦系数,产品质量的一致性没有严格控制,可能由于产品质量或摩擦系数的波动,导致拧紧至规定扭矩时轴向预紧力不足引起松动;
d、实际装配过程中有异常,如螺纹或支撑面有铁屑等异物,也会导致虛假连接,扭矩达到要求,而实际的预紧力却没有达到要求,这种情况多出现在扭矩法装配时;
e、多个螺栓一起使用时,应对装配次序.装配步骤有要求,如简单装配,可能会对最后装配的螺栓产生偏扭矩,诸多因素都可能导致螺栓的失效。
螺纹紧固件的失效包括自身问题和装配问题,自身问题有:a.设计错误,如R角规格;b.加工质量问题,如车削螺纹、热处理不规范、延迟断裂;c.材料选择错误:如耐热钢螺栓。装配问题:a.摩擦系数控制;b.装配工艺:如扭矩法扭矩转角法、屈服点法;c.装配工具:装配分级。
螺纹紧固件的失效,不仅是零件本身的损坏,还会引起更严重的连带问题。
