發動機支架螺栓斷裂案例失效分析與預防

黃文琴，梁　鋒，李俊平

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

發動機支架螺栓斷裂案例失效分析與預防

黃文琴，梁鋒，李俊平

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

汽車發動機各零部件的組裝，各部件間的聯接主要采取螺栓聯接方式。螺栓質量對整個系統起著很重要的作用。通過對失效螺栓金相、硬度、摩擦性能、尺寸等方面的檢測，分析和推斷其失效原因，對發動機支架螺栓斷裂失效給出預防措施，預防質量缺陷的產生。

發動機；螺栓；失效分析

發動機支架螺栓材料SCM435（國標牌號35Cr－Mo），在擰緊裝配過程中發生斷裂，工藝要求擰緊力矩為≥25N·m.斷裂件如下圖1所示。本文圍繞螺栓發生斷裂的各種可能因素，從材質、理化、尺寸等方面進行檢測分析，得到螺栓發生斷裂的根本原因。并根據根本原因制定出后續的預防方案。

圖1　斷裂螺栓圖

正常情況下，螺栓在擰緊工具核定扭轉應力作用下，同時會承受徑向的扭轉力和軸向的拉應力，如果扭轉和拉伸應力在螺栓強度范圍內，不會發生斷裂，只是在螺紋部位會發生輕微塑性變形。如果螺栓材料強度達不到要求、螺栓承受的扭轉力超出螺栓最大屈服強度，就可能出現螺栓被明顯拉長，靜態扭矩無法達到擰緊工具設定扭力的情況。更嚴重的是，如果螺牙本身在螺牙根部等位置存在一些顯微裂紋或氫脆等缺陷，螺栓在外力作用下，裂紋極易沿缺陷位置發生擴展，最終導致螺栓斷裂。

螺栓從斷裂形式上分，一般可分為脆性斷裂和韌性斷裂。脆性斷裂一般發生于螺栓本身缺陷導致，所承受應力未超出其許用應力范圍，即發生斷裂。或者在某些特種環境介質下，螺栓本身某部位發生氧化、應力腐蝕或晶間腐蝕等導致的斷裂。而韌性斷裂一般是螺栓所承受的在和超出了螺栓的強度范圍，而螺栓發生斷裂的一種失效形式［1］。

1　理化檢驗

1.1宏觀斷口分析

斷口宏觀形貌可見圓錐型尖角，由于螺栓在擰緊過程中受到扭轉力，杯錐軸線方向與主應力方向一致，錐面與主應力夾角為45°，斷口表面呈鵝毛絨狀［1］。

螺栓大頭端斷口附近可見明顯拉伸塑性變形，螺栓尾段斷口可見明顯杯狀韌性斷裂特征，同時在螺紋根部可見裂紋，分布范圍在圓周20°區域內，如圖2中箭頭所示。另外對螺栓1部分斷口在體式顯微鏡下觀察，也可見在螺紋根部有裂紋出現。從宏觀斷口形貌來看，大頭短和尾端螺栓斷口可見明顯塑性變形特征，未見脆性斷裂特征。

圖2　斷口宏觀照片

1.2螺栓摩擦性能試驗

螺栓摩擦系數要求0.1～0.16，選取同批次3件螺栓進行摩擦系數性能試驗，結果分別為0.13、0.13 及0.14，結果為合格。

經過大量的試驗和實踐經驗的積累，在實際擰緊過程中受到摩擦系數等影響，僅僅5%～10%的扭矩轉化為所需要的預緊力，有90%的扭矩被擰緊過程中的摩擦消耗掉。當支承面的摩擦系數降低20%時，支承面摩擦扭矩降為40%，螺栓軸向夾緊力將翻倍增加（有20%的擰緊扭矩轉化成夾緊力）。由此可見，使用扭矩裝配方法，摩擦系數對螺栓夾緊力的影響很大。故當摩擦系數越大，擰緊到一定力矩下所承受的夾緊力也越大。當摩擦系數超出設定值，可能在擰緊過程中承受的夾緊力超出螺栓材料本身屈服強度在薄弱位置生產裂紋等缺陷［2］。

1.3螺栓力學性能檢測

斷裂螺栓為10.9級，圖紙硬度要求：32-39HRC.經過對失效螺栓進行硬度測試，可得螺栓硬度檢測結果為：HRC36/37/37/36/38.檢測結果均在合格范圍內。由于該螺栓已斷裂，無法對該螺栓抗拉強度等進行測試。

同時對該螺栓抗拉力學性能進行檢測，檢測結果分別為：1 140 MPa、1 130 MPa、1 150 MPa（工藝要求1 040 MPa min，合格）

1.4螺栓金相檢測及分析

通過金相檢驗，一方面可查看材料金相組織是否有異常，同時可檢查螺紋段是否存在微裂紋或者螺栓表面有脫碳情況。如存在，可能在螺栓表面比較薄弱處，出現裂紋擴展，最終導致斷裂發生。

采取對斷裂螺栓沿軸向剖開后進行拋光處理，查看螺牙根部是否存在裂紋，裂紋是在裝配前產生或是在受力后產生。

以下是一例失效螺栓的金相組織圖片，螺栓沿軸向剖切成兩個半圓形，對剖切面進行磨拋和腐蝕。明顯可見螺牙牙尖位置有微裂紋，該處裂紋邊緣出現脫碳層，說明裂紋發生于熱處理之前。并非后續產生。但該裂紋的位置處于牙尖位置附近，從受力角度分析，其裂紋發生擴展導致螺栓斷裂的風險較低，如圖3所示。

圖3　裂紋處脫碳案例圖

脫碳是指鋼在脫碳性質介質中加熱時，鋼表層中的固溶碳與之發生化學反應，生成氣體逸出鋼外，使鋼的表層碳濃度降低的現象，脫碳嚴重時，可使表層變成鐵素體［4］。該螺栓試樣是通過線切割取樣的，取樣后還要進行磨制試樣，一般都不會造成裂紋的產生，并且在上圖中可以看出：該裂紋是在熱處理前發生的，才會在熱處理加熱時裂紋的周圍產生脫碳的現象；如果之后產生的裂紋，裂紋周圍是不會造成脫碳。

而本次案例中，對螺栓金相組織進行分析，其主要金相組織為均勻細致的索氏體，可見螺栓螺牙根部有裂紋產生，而螺栓裂紋位置及螺牙表面均未見明顯的脫碳現象，螺栓熱處理方式為淬火及高溫回火，產品要求脫碳層厚度不超過0.015 mm，而本案例由于螺牙表面及裂紋處都無明顯脫碳層，故無法通過裂紋處有脫碳這一特征，來判斷裂紋產生時間是在熱處理過程中出現，還是在受力后產生，如圖4所示。

圖4　放大100X金相組織照片

2　掃描電鏡斷口分析

進一步使用日立S-3400N鎢燈絲掃描電鏡進行斷口分析，以下為相應的斷口照片及分析。

如圖5所示A區域放大后可見韌窩，且宏觀形貌呈旋轉弧形狀。其中有部分為明顯的等軸韌窩特征，即螺栓受到軸向拉應力作用下形成。韌窩為塑性斷裂特征，一般來說，變形硬化指數越大，材料越難出現頸縮。受材料本身的微觀結構和相對塑性影響，韌窩會表現出完全不同的大小和形狀。從這一角度來說，本案例螺栓斷口出現明顯的頸縮（螺栓大端斷口），說明本螺栓發生明顯塑性變形［3］。

圖5　A區域宏觀及放大示意圖

B區域微觀形貌圖片如圖6所示，與A區域一樣，大部分區域呈韌性斷裂特征。其中較多等軸韌窩，如圖7所示。

圖6　B區域宏觀及放大示意圖

圖7　C區域宏觀及放大示意圖

C區域為受到扭轉力后發生一定的塑性變形，扭轉應力應為逆時針方向，放大后的C區域表面比較平整。初步推斷，此處為裂紋起始區域。由于螺牙根部存在隱形的微小裂紋（如圖2所示），在擰緊過程中，螺牙根部的微裂紋在扭力作用下發生擴展，隨著裂紋的進一步擴展，由于材料本身存在一定的韌性，故在裂紋逐步擴展的過程中，螺栓也同時發生一定的塑性變形特征-韌窩。螺栓最終在尖角處發生斷裂。

3　分析與措施

螺紋根部產生微裂紋/斷裂的原因主要有以下幾點：

（1）螺栓熱處理后容易在螺紋根部，由于淬火/回火后形成微裂紋。而回火脆性一般發生于沿晶斷裂，本案例中，通過查看電鏡圖片可見，斷裂面無明顯沿晶斷裂特征；同時螺牙根部的裂紋邊緣也無脫碳情況出現。初步判斷熱處理形成的裂紋非為螺栓斷裂原因。

（2）螺栓加工工藝不當，螺牙根部由于缺口敏感性較高，過程中可能會產生輕微的損傷，導致應力集中，最終造成斷裂。通過宏觀和微觀的分析，通過金相檢測，在2處位置可見圖2所示裂紋，無法判斷是否為加工過程中產生。此為產生微裂紋的可能原因之一。

（3）另外螺栓在擰緊過程中，如果扭力過大，或人員操作過程中扳手傾斜，均會造成螺栓斷裂。

針對螺栓出現斷裂的情況，為了盡可能減少類似的螺栓在裝配就發生斷裂類似的質量問題，建議采取以下措施：

一是，在螺栓經過熱處理后增加螺栓的100%磁粉探傷，能及時篩查出問題零件；

二是，按一定抽檢頻次對螺栓的抗拉強度、金相、硬度及脫碳情況進行檢測，如存在異常能及時采取控制措施。

4　結束語

通過對斷口宏觀、微觀分析、金相、硬度及摩擦性能等幾個方面的試驗，判斷螺栓的斷裂主要原因在于螺牙根部的微小裂紋。由于螺栓是在裝配擰緊的過程中發生斷裂，并非負載后發生的斷裂。而熱處理過程中，溫度、時間、熱處理氛圍等各方面的影響，容易造成零件局部應力過大，最終形成裂紋，建議后續增加磁粉探傷的檢測及抗拉強度等檢測，做好質量預防，盡量減少此類質量問題發生。

［1］鐘群鵬，趙子華.斷口學［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］李春勝，黃德彬.金屬材料手冊［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［3］吳連生，斷口分析及其在失效分析中的應用［J］.理化檢驗-物理分冊，1994，30（5）：26-29.

［4］李炯輝.金屬材料金相圖譜［M］.北京：機械工業出版社，2006.

The Fracture Bolt of Engine Brace Failure Analysis and Prevention

HUANG Wen-qin，LIAN Feng，LI Jun-ping
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Assembly of parts of automobile engine，the connection between components mainly adopt the mode of bolt connection.Bolt played an important role in this system.In this article，mainly state the engine bolt crack cause according to the according to metallographic，hardness，electron microscope detect，size inspection ect.，finally support the failure reasons and preventive measures，try to reduce the quality problem occurs.

engine；bolt；failure analysis

TG115

B

1672-545X（2016）07-0185-03

2016-04-21

黃文琴（1982-），女，湖北武漢人，工程師，本科，研究方向為發動機零部件的理化檢測及分析。