汽车用螺栓和垫圈组合件失效分析

Fastener2018-11-08 11:06:52

汽车用螺栓和垫圈组合件失效分析

江纯伟  陈琦峰  朱凌静      

要:针对安装于某车型的六角头螺栓和垫圈组合件中的螺栓在台架试验时发生断裂失效的问题,采用扫描电镜、金相检验、力学性能检验、化学成分分析、摩擦因数试验等方法对其螺栓断裂原因进行了分析。结果表明,螺栓的断裂性质是疲劳断裂,主要原因是由于组合件中垫圈硬度过低,在预紧扭矩下发生塑性变形致使螺栓预紧力不足,最终引起螺栓疲劳断裂。

关键词:螺栓和垫圈组合件;台架试验;疲劳;预紧力

 

汽车用螺栓和垫圈组合件安装于汽车的某些部位,其作用非常重要。一个螺栓的断裂失效都会造成安全隐患,会对人身和财产造成重大损失。厂方提供六角螺栓垫圈组合件断裂件两件,完好件若干件,规格为M12×42,螺栓性能等级为10.9级,材质为SCM435,螺栓制造工艺为:成型—辗牙—去磷—热处理—涂覆,厂方未提供垫圈材质与性能信息,组合件表面进行达克罗处理。该组合件用于连接车辆后转向节与后轮毂,在台架试验过程中出现断裂,失效概率为60%

70%,厂方要求分析断裂原因。

1 理化检验

  1. 1  断口分析

1 所示为送检试样的宏观形貌,可见两件失效螺栓断裂位置基本一致,位于第45扣螺纹处, 断口附近均未发现明显塑性变形,螺纹及光杆部位亦未见明显磕碰损伤痕迹。

 

2 所示为失效件垫圈宏观形貌,可见垫圈与螺栓头部支撑面配合部位存在明显的磨损与凹陷(箭头所示)。


3 所示分别为试样1 和试样2 螺栓的断面低倍形貌,可见两个断面形貌类似:断面4/5面积为与螺栓轴向垂直的平断面,断面平整、金属本色,未见明显放射条纹、冶金缺陷及腐蚀特征;断面1/5面积为与螺栓轴向呈约 45°的斜断面。


4 所示分别为试样 1、试样 2 断面裂纹源区,可见明显的磨损痕迹。


5所示分别为试样1、试样2断面疲劳裂纹扩展区的微观形貌,可见明显的疲劳条带。


6 所示分别为试样 1、试样 2 断面终断区,可见明显的韧窝形貌。


2  金相检测 7(a)所示为试样 1 断裂螺栓芯部金相组织,为均匀的回火索氏体组织,未发现异常;图7(b)所示为试样1 螺纹处的金相组织,螺纹表面未发现明显脱碳或表面缺陷。图8所示分别为试样1断裂螺栓配套垫圈的表面与芯部组织,可见芯部组织为铁素体+少量珠光体,垫圈表面存在明显的全脱碳层。


1.3 性能检测

对送检组合件进行强度和表芯硬度试验,结果如表1 所示,完好螺栓抗拉强度值、断裂螺栓表、芯硬度值均满足“GB/T 3098.12010”中对10.9 级螺栓的要求;配套垫圈的硬度值较低。

  1. 4  摩擦因数试验

取一件完好螺栓进行摩擦因数试验,根据委托方提供的安装条件,施加试验扭矩 100 Nm。试验结果如表2所示,可见螺纹摩擦因数较小,螺栓头下摩擦因数较大。


9 所示为试验后垫圈形貌,可见其与螺栓头部配合的表面已产生明显塑性变形。

1.5 螺栓材质分析

采用直读光谱法对失效螺栓进行化学成分分析,结果如表3所示,结果符合JIS 4053—2008关于SCM435 钢的要求。

2        综合分析

送检断裂螺栓金相组织、化学成分、表面不连续性、力学性能、表芯硬度等均符合标准要求。断面微观形貌显示:断面存在大面积疲劳条带,呈疲劳断裂特征,疲劳源区位于螺纹牙底,疲劳扩展区约占整个断面4/5,疲劳条带间距较窄,终断区面积较小,可以判定螺栓的断裂性质为典型的低应力高周疲劳断裂,最终断裂时所承受应力较小。垫圈的金相组织显示材质为低碳钢,且未进行热处理,同时表面存在全脱碳,致使垫圈硬度尤其是表面硬度较低。

对螺栓垫圈组合件进行摩擦因数测试,结果显示:螺栓头部与垫圈间的摩擦因数较大,当施加试验扭矩100 Nm 时,螺栓的轴向夹紧力仅为45.4 k N。一般来说,螺栓安装预紧力的适宜范围为螺栓屈服强度的70%80%,经换算后得到规格为M12,性能等级为10.9 级的螺栓理论最佳预紧力为55.463.3 k N。经试验可知:螺栓预紧力明显小于推荐的预紧力。垫圈硬度过低,致其在预紧力作用下发生塑性变形,这是引起螺栓头下摩擦力增大的原因。由于头下摩擦因数大,施加的安装扭矩大部分用于克服螺栓头下摩擦力,因而造成实际预紧力不足。送检的螺栓在服役过程中主要承受交变载荷,研究表明:在相同条件下,预紧力较小的紧固件更易松动,进而诱发疲劳破坏;同时,当垫圈刚度或强度不足时,也会导致螺栓承受的交变载荷增大或垫圈蠕变致螺栓松动,更易诱发螺栓疲劳断裂。另外,根据GB/T 97.1—2002 规定,与10.9 级螺栓配套使用平垫圈推荐为300 HV级,即垫圈硬度范围为300 HV370 HV,而送检的组合垫圈实际测试结果与该标准不符。

3 结论

(1)      送检螺栓的断裂性质是疲劳断裂。

(2)      引起螺栓疲劳断裂的原因是螺栓安装预紧力不足。

(3)      垫圈硬度过低,在预紧扭矩下发生塑性变形是导致螺栓预紧力不足的原因

(4)       建议采用硬度等级300 HV级的平垫圈,即垫圈硬度范围为300 HV370 HV

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