汽車后制動油管螺栓失效分析

夏慶華

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

后制動油管螺栓是汽車制動系統(tǒng)中的一個重要零件，是用于將制動總泵的制動液傳遞給處于活動懸架組件的制動分泵進行剎車的；后制動油管螺栓出現裂紋甚至斷裂，則會泄漏制動液，使得汽車無法產生制動動作，使汽車處于危險之中，因此，后制動油管螺栓在汽車中是非常重要的。后制動油管螺栓的加工過程為：球化退火→酸洗磷皂化→改拔→下料→絲坯→調質處理→磷化→包裝入庫；后制動油管螺栓與后制動卡鉗的位置，如圖1所示。

圖1　后制動油管螺栓

某種型號的汽車在裝配后制動油管螺栓時，發(fā)生斷裂，為尋找斷裂原因，采用了多種方法，找到了斷裂的原因，并提出改進意見。

斷裂過程：某廠在裝配汽車后制動油管螺栓時，按照裝配工藝的要求，裝配扭矩是42 N·m、在實際上扭矩約為40 N·m時，發(fā)生后制動油管螺栓斷裂，該螺栓的螺紋是M10×1，強度為8.8級。

后制動油管螺栓的安裝過程是：在制動卡鉗安裝面上放好墊片→放好油管→再放墊片→放油管螺栓→定制扭矩扳手42 N·m、手工扭緊，在上扭矩過程中斷裂。

1　試驗及檢驗

1.1　宏觀分析

斷裂的后制動油管螺栓如圖2所示，圖3為完好的后制動油管螺栓，經對比兩個螺栓，發(fā)現：

（1）后制動油管螺栓的斷裂處扭曲變形嚴重，原來圓形的油孔變成了橢圓形且與軸線傾斜了一個角度，如圖2的箭頭3、4所示。

（2）在螺栓油孔處，還出現了頸縮現象，頸縮是由于材料塑性變形引起的宏觀變形，當載荷達到最大值后，試樣的某一局部發(fā)生顯著收縮的現象，縮頸出現后，零件繼續(xù)變形所需之力減小，應力-應變曲線相應呈現下降，最后導致零件在縮頸處斷裂。該螺栓頸縮處的尺寸為Φ8.6；圖紙標注該尺寸應為Φ9.2；頸縮現象是材料塑性斷裂的主要特征，如圖2的箭頭2所指處。

（3）墊片變形嚴重，未裝配的墊片，厚度為1.6 mm，斷裂件上的墊片，厚度為0.88 mm，被壓縮了0.72 mm，約被壓縮了一半，說明螺栓所受扭轉應力較大，如圖2的箭頭5所指處。

螺栓的斷口形貌如圖4所示，裂紋起源于斷裂面的外圓周、也是螺紋的根部，該處為應力集中處，即圖5中的A處，它是在三向應力作用下，裂紋作緩慢擴展形成的，即裂紋的起始區(qū)；螺栓在旋轉應力的作用下，裂紋呈螺旋狀擴展，如圖5中的B處箭頭所指方向，該處是裂紋的快速擴展區(qū)，從圖中可以看到裂紋快速擴展留下的紋路；裂紋擴展到C處時，此時螺栓的剩余截面較小，在外應力的作用下，此區(qū)瞬間斷裂，該處與裂紋擴展區(qū)呈45°角，為剪切唇是最后斷裂區(qū)，從螺栓斷口的裂紋起始區(qū)、裂紋擴展區(qū)、剪切唇三階段的特征看，其特征與宏觀塑性斷裂的三階段相類似，且其外觀具有明顯的塑性變形、縮頸等現象，這些都是塑性斷裂的特征[1]，因此，該螺栓的斷裂具有旋轉、塑性斷裂特征。

圖2　斷裂的后制動油管螺栓

圖3　完好的后制動油管螺栓

圖4　螺栓的斷口

圖5　螺栓的斷裂面

隨后又有一顆后制動油管螺栓斷裂，其斷裂位置、斷口形貌、斷裂特征均與上一顆相似，如圖6、7所示。

圖6　第二顆斷裂的螺栓

圖7　第二顆斷螺栓的斷口

1.2　強度計算

螺栓強度的計算：螺栓力學性能，按照GB/T3098.1-2010的規(guī)定，M10×1、強度為8.8級的螺栓的抗拉強度Rm為800 MPa；最小拉力載荷≥51 600 N；

該螺栓的螺紋公稱應力截面積As，公稱為64.5 mm2；抗拉強度Rm為800 MPa.

其最小拉力載荷Fm=As，公稱×Rm=64.5×800=51 600 N.

經過計算，螺栓桿部的橫截面的面積 As桿部=66.44 mm2，螺栓斷裂面有一個橫孔，因橫孔的存在，減少了該部位的有效受力面積，實際上螺栓斷裂面的有效面積As，有效=35.9 mm2；其能承受的最小拉力載荷 Fm=As，有效× Rm=35.9× 800=28 720 N，遠低于國家標準的、實心螺栓的標準要求值。

施加給螺栓的扭矩和螺栓受到的軸向力計算較為復雜，現有一種簡單的公式：T=KFd，其中：K為扭矩系數，一般取0.2，F為軸向力，d為螺栓公稱直經。

利用上式計算M10×1螺栓的最小扭矩，T=0.2×51 600×10=103.2 N·m，即為實心部分螺栓的扭矩；

有橫孔處的最小扭矩T=0.2×28 720×6.76=38.83 N·m

而裝配時的扭矩為42 N·m，大于有橫孔處橫截面的最小扭矩值。

螺栓實際受到的扭矩，大于螺栓理論上能承受的扭矩，這是導致后制動油管螺栓斷裂的原因之一。

1.3　模擬失效模式

在生產現場，采用手動的形式模擬失效模式，用扭矩扳手扭動后制動油管螺栓、直至螺栓斷裂，這時，扭矩扳手數值顯示為50 N·m，該值大于設定值，而螺栓斷裂位置、斷口形貌、斷裂特征均與前兩顆斷裂的螺栓相似，如圖8、9所示；墊片變形量為0.76，也與生產現場斷裂螺栓的墊片相似；模擬失效模式的扭矩值已大大超過了螺栓理論上能夠承受的扭矩值，而其斷裂模式與裝配現場的斷裂模式相同，說明生產現場斷裂的螺栓，也存在扭距值過大的可能。

圖8　模擬斷裂現場

圖9　模擬斷裂螺栓的斷口

1.4　力學性能

該螺栓圖紙要求，力學性能按照GB/T3098.1-2010，M10×1、強度 8.8 級的螺栓：硬度要求 HV250～320；最小拉力載荷≥51 600 N；使用北京鋼研納克生產的、型號為NCS的微機控制電子萬能試驗機，對螺栓進行力學試驗，北京鋼研納克是GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗》的編制單位。

從送檢的、沒有用過的螺栓中，選取外表較好的一件，進行機械性能試驗，當試驗力達到41 000 N時，發(fā)生斷裂，斷裂部位位于有橫孔處，如圖11所示，未能達到標準要求的51 600 N，其力學性能不合格。但是，GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓螺釘和螺柱》對M10×1、8.8級的螺栓的最小拉力載荷≥51 600 N的要求，是對實心螺栓的要求，而對于中間有橫孔、橫截面明顯變小了的螺栓，按照實心螺栓來要求不太合理；按照前述的強度計算，有橫孔處的最小拉力載荷為：Fm=As，有效× Rm=35.9 × 800=28 720 N，按照這樣的計算，螺栓橫孔處的最小拉力載荷是合格的。

拉力試驗的斷裂件，其斷裂位置、斷口形貌與現場斷裂件大致相同，如圖10～13，其主要的差別在于：拉力試驗的斷裂件，油孔未發(fā)生扭轉變形，但是在長度方向變長了，因為拉力試驗是在軸線方向施加力，所以拉力試驗的斷口是拉伸塑性斷口。

圖10　未使用過的、新螺栓

圖11　拉力試驗斷裂件

圖12　拉力試驗斷裂位置

圖13　拉力試驗斷裂面

1.5　硬度試驗

依據GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》對硬度的要求，在螺栓距離螺紋末端一倍之間處取一截面，磨平并用酒精去除表面的油脂后，在1/2半徑處測定維氏硬度；試驗載荷為98 N，試驗方法依據GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》，硬度試驗結果如表1所列。

表1　螺栓硬度試驗結果

斷裂的和新的螺栓，其硬度都符合國家標準的要求，螺栓的硬度按照GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》檢測、判定。

1.6　金相分析

使用德國徠卡公司生產的、型號為：DMI3000金相顯微鏡，在斷裂螺栓裂紋源的側面、新螺栓的螺紋端頭分別進行金相試驗，其結果如表2所列。

表2　金相試驗

斷裂件無非金屬夾雜物，說明鋼材質量好；螺栓的金相組織是根據GB/T 3098.1-2010對8.8級螺栓的熱處理要求而定的，各螺栓的金相組織均符合標準的要求，說明螺栓的熱處理狀態(tài)良好。

非金屬夾雜物的評定標準是GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》；螺栓的熱處理要求按照GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》，金相組織的評定標準是GB/T13320-2007《鋼質模鍛件金相組織評級圖及評定方法》。

1.7　化學成分

后制動油管螺栓的化學成分按照GB/T 3098.1-2010的要求進行檢定，使用德國BRUKER公司生產的、型號為Q4的直讀光譜儀，對螺栓進行化學成分分析，結果表3所列。

表3　化學成分

斷裂的和新的后制動油管螺栓的化學成分，均符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》對8.8級螺栓的要求。

2　分析與討論

斷裂的和新的后制動油管螺栓的化學成分、硬度、金相組織合格；但是新的后制動油管螺栓、最小拉力載荷不合格，原因為：后制動油管螺栓斷裂處被加工了一個橫孔，螺栓有效受力面積減少，其最小拉力載荷隨之降低，導致其力學性能不合格。從后制動油管螺栓的斷口看，具有旋轉、塑性斷口的特征，材料所受的力超過材料的屈服強度時，材料的變形不可回復，受力繼續(xù)進行，零件發(fā)生縮頸，最后在縮頸處斷裂。材料發(fā)生塑性變形，是由于材料剛度不足造成的，如果材料的剛度足夠大，材料就不會屈服、也不會發(fā)生縮頸，更不會斷裂[2]。通過對后制動油管螺栓的強度計算，其理論上能夠承受的扭矩低于實際裝配中的扭矩，實際裝配過程中，螺栓能夠承受的扭矩值也只是其理論值，所以裝配設定的扭矩值超過了螺栓能夠承受的扭矩，導致其裝配時發(fā)生斷裂；同時按照失效模式進行了模擬試驗，斷裂時的扭矩值大于計算得到的扭矩值，而其斷口形態(tài)、斷裂模式與裝配現場的斷口形態(tài)、斷裂模式相同，說明裝配現場斷裂的螺栓，所受扭矩超過了其所能夠承受的扭矩。因此，可以認為后制動油管螺栓的斷口是過載、旋轉、塑性斷口。

3　結論和建議

后制動油管螺栓斷裂，是由于其在被裝配時，受到了超過其所能夠承受的扭矩，造成的過載、旋轉、塑性斷裂。

為保證后制動油管螺栓的正確裝配及安全使用，建議提高后制動油管螺栓的剛度和強度。剛度是指材料在受力時抵抗彈性變形的能力（抵抗彈性變形）；材料的剛度除取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀、邊界條件等因素以及外力的作用形式有關；對后制動油管螺栓來說，其形狀、受力面積已不可改變，那么能夠改變的就是彈性模量，即提高后制動油管螺栓的彈性模量，選擇一種彈性模量更高的材料。

強度是金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，也就是說，強度是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標[3]。從前述的受力計算中，可以看到：零件的扭矩與材料的抗拉強度有關，提高材料的抗拉強度，可相應地提高材料的扭矩，即選擇一種抗拉強度更高的材料，也可以提高后制動油管螺栓抵抗失效的能力。

建議：選擇一種彈性模量更高的、抗拉強度更高的材料來制作后制動油管螺栓。