差速器齒輪螺栓斷裂分析

易國良，羊奎，李勁峰，楊冬梅，匡翼

(湖南羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)部件有限公司，湖南湘潭 341000)

差速器齒輪螺栓斷裂分析

易國良，羊奎，李勁峰，楊冬梅，匡翼

(湖南羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)部件有限公司，湖南湘潭 341000)

通過對(duì)斷裂的變速器差速器齒輪螺栓的力學(xué)性能、金相組織、化學(xué)成分等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，以及模擬螺栓的服役條件，發(fā)現(xiàn)斷裂的原因是在螺栓表面處理時(shí)存在表面脫碳現(xiàn)象、差速器齒輪螺栓在設(shè)計(jì)時(shí)存在不合理的地方，并提出避免螺栓再次發(fā)生斷裂事故的解決方案。

差速器齒輪螺栓；斷裂；金相組織；尺寸設(shè)計(jì)

0 引言

差速器齒輪螺栓是變速器最重要的緊固件之一，某公司生產(chǎn)的差速器齒輪螺栓在另一公司進(jìn)行模擬服役，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試時(shí)部分發(fā)生斷裂，而且斷裂部位都是在螺栓的頭部。螺栓材質(zhì)是SCM435，強(qiáng)度等級(jí)為12.9級(jí)；生產(chǎn)工藝流程為：圓鋼→截長→鐓頭→磙絲→熱處理，由于該批螺栓系外購件，因此具體的熱處理工藝尚不清楚。

為了找出該螺栓斷裂的原因，從零件的力學(xué)性能、化學(xué)成分、金相組織等方面進(jìn)行了全面分析。

1 宏觀檢查

斷裂螺栓及原始螺栓的宏觀形貌分別見圖1和圖2。

斷裂部位是螺栓的頭部和桿身脫離，并非常見的桿部斷成兩截的情況。觀察斷口，并未發(fā)現(xiàn)有原始裂紋。斷口類似于垂直剪切斷口。

為了進(jìn)一步了解螺栓的斷裂形式，將斷裂的螺栓沿軸線進(jìn)行解剖，并鑲嵌，做低倍檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)斷裂形式并非是整個(gè)螺帽脫離桿身，而是螺帽邊緣與螺栓桿身脫離，造成螺栓失效，如圖3所示，螺帽邊緣的正常位置是在1-2之間，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)螺帽邊緣整體發(fā)生了滑移。

圖1 拉斷后螺栓的外觀

圖2 正常螺栓的外觀

圖3 螺栓拉斷部位解剖圖

2 力學(xué)性能分析

零件的力學(xué)性能分析使用的是常規(guī)硬度檢測(cè)和螺栓強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)。

2.1 硬度檢測(cè)

將宏觀檢測(cè)解剖后剩余的部分進(jìn)行硬度測(cè)試，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)測(cè)螺栓硬度值

從上述數(shù)據(jù)可以看出，硬度值符合GB/T 3089.1.2000緊固件力學(xué)性能要求中12.9級(jí)要求。

2.2 強(qiáng)度檢測(cè)

螺栓故障件是在做強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)發(fā)生斷裂的，直接將該螺栓的強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)出，如圖4所示。

從螺栓的拉伸曲線可以判定，檢測(cè)出的抗拉強(qiáng)度是1 160 MPa，不符合GB/T 3089.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求中12.9級(jí)螺栓的強(qiáng)度要求。

圖4 螺栓拉伸試驗(yàn)曲線

3 化學(xué)成分

試驗(yàn)采用的是斷裂后的螺栓原件，試驗(yàn)儀器采用德國布魯克Q4UV型電火花直讀光譜儀，實(shí)測(cè)化學(xué)成分見圖5。

圖5 斷裂件原件的化學(xué)成分原始數(shù)據(jù)

化學(xué)檢測(cè)依據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是JIS G4053-2003，相應(yīng)的成分范圍見表2。

表2 螺栓化學(xué)成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

從上述數(shù)據(jù)中可以看出，零件的材質(zhì)符合SCM435技術(shù)要求。

4 金相分析

從螺栓斷裂部位取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，觀察斷裂處顯微組織可以發(fā)現(xiàn)：晶粒沿螺栓拉伸方向變形，屬于明顯的塑性變形[1]，見圖6；圖7為螺帽邊緣和螺栓桿部基體組織，可以看出：螺帽邊緣部位與螺栓的整體組織是一致的，都是回火索氏體組織，組織都非常均勻；同樣可以在螺帽邊緣部分發(fā)現(xiàn)塑性變形的痕跡。

圖6 斷裂處顯微組織

圖7 螺帽邊緣和螺栓桿部基體組織

圖8是螺栓的心部組織，典型的回火索氏體。

圖8 心部組織

圖9是螺栓桿部的邊緣區(qū)域，與螺栓頭部相接，可以發(fā)現(xiàn)：螺栓表面存在脫碳現(xiàn)象，組織為鐵素體和回火索氏體。而鐵素體容易在螺栓服役狀態(tài)下發(fā)生變形，使螺栓的疲勞強(qiáng)度下降，從而影響整支螺栓的力學(xué)性能[2]。

圖9 螺栓邊緣部位

5 結(jié)果分析

(1)從螺栓的宏觀解剖圖和低倍檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，螺栓的斷裂形式并不是常見的斷成兩截，而是螺帽邊緣與螺栓整體脫離，類似剪切斷裂，斷裂外受力示意圖如圖10所示。

圖10 斷裂處受力示意圖

(2)螺栓硬度值是HRC41～42，符合GB/T 3089．1-2010中12.9級(jí)螺栓的硬度要求，但是從強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，螺栓在承受106.7 kN的拉力作用下失效，即該螺栓的強(qiáng)度是1 160 MPa，不符合國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的12.9級(jí)螺栓強(qiáng)度；而且從強(qiáng)度拉伸曲線分析，螺栓是在承受最大力值時(shí)突然失效，這在螺栓服役過程中是一個(gè)極大的安全隱患。

(3)螺栓的材質(zhì)方面，符合技術(shù)要求規(guī)定的SCM 435材質(zhì)要求，可以排除零件原材料錯(cuò)誤的問題。

(4)從金相組織上看，螺栓整體是回火索氏體組織，斷裂處晶粒發(fā)生明顯變形，方向是螺栓的拉伸方向；螺栓桿部表面存在脫碳現(xiàn)象，組織為鐵素體和回火索氏體，屬于半脫碳，但是由于鐵素體的存在，在螺栓拉伸受力時(shí)，晶粒容易發(fā)生變形，螺栓疲勞強(qiáng)度下降[3]。

從金相組織可以推斷螺栓失效方式是在螺栓桿部受到強(qiáng)大拉力，螺栓頭部邊緣一圈由于受力面積較小，而且表面存在脫碳現(xiàn)象，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致螺帽邊緣一圈與桿身分離，發(fā)生失效斷裂。

6 結(jié)論

螺栓斷裂的主要原因有兩點(diǎn)：

(1)螺栓設(shè)計(jì)不合理，螺帽邊緣尺寸較小，受力面積較小，在拉力一定時(shí)，抗拉強(qiáng)度會(huì)更低。因此可以增加螺帽邊緣厚度，增加接觸面積；或者直接使用梅花頭螺栓。

(2)螺栓表面有脫碳層，使螺栓的表面強(qiáng)度降低，特別在螺帽和螺桿相交部位受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力同時(shí)作用，導(dǎo)致螺帽脫落，螺栓失效。因此必須嚴(yán)格控制熱處理工藝，確保零件內(nèi)部和外部顯微組織一致，建議采用真空熱處理。

【1】任頌贊.鋼鐵金相圖譜[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2003.

【2】劉澤坤.40Cr鋼螺栓斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2003,39(3)：160-161. LIU Z K.Fracture Analysis of the 40Cr Bolt[J].Physical Testing and Chemical Analysis Part A:Physical Testing,2003,39(3)：160-161.

【3】張海峰．王春芬. 高強(qiáng)度螺栓斷裂原因分析[J].熱加工工藝,2007,36(20)：85-87. ZHANG H F,WANG C F.Analysis of Failure Reason of High Strength Bolt[J].Hot Working Technology,2007,36(20)：85-87.

Differential Gear Bolt Fracture Analysis

YI Guoliang, YANG Kui, LI Jinfeng, YANG Dongmei, KUANG Yi

(Hunan Luoyou Engine Parts Co., Ltd., Xiangtan Hunan 341000,China)

Through mechanical properties analysis, microstructure analysis, chemical composition analysis and service condition simulation to the fractured transmission differential gear bolt, the root causes of the bolt fracturing were decarburization phenomenon existed in the surface treatment of the bolt and the design size of the differential gear bolt was not reasonable. Corresponding solution was put forward to avoid the recurrence of the bolt fracture accident.

Differential gear bolt; Fracture; Microstructure; Size design

2016-01-04

易國良,男，本科。E-mail:zhouyao@geely.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.020

U463.218+.4

B

1674-1986(2017)06-073-04