履帶用高強度螺栓失效分析

張魯，陳丹，劉美娜，劉啟剛

山推工程機械股份有限公司履帶底盤分公司 山東濟寧 272073

1 序言

在履帶式工程車輛中，履帶通過高強度螺栓聯(lián)接履帶板及鏈軌總成，由左右驅(qū)動輪實施驅(qū)動[1，2]。某型號挖掘機履帶在成品入庫時發(fā)現(xiàn)裝配的螺栓有掉頭現(xiàn)象，其中1條履帶發(fā)現(xiàn)5個斷裂螺栓，斷裂位置均發(fā)生在螺栓頭和桿交界處，宏觀形貌如圖1所示。螺栓強度級別為12.9級。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌

2 產(chǎn)品基本信息

1）螺栓材質(zhì)為SCr420B，規(guī)格為M20×1.5。

2）螺栓的生產(chǎn)工藝流程：原材料→球化退火→除銹磷化→拔條→冷鐓→滾絲→熱處理→發(fā)藍。

3 失效件分析

3.1 斷口分析

（1）宏觀形貌 斷裂出現(xiàn)在頭部和桿部交界處，斷面顏色一致呈金屬銀灰色，斷面粗糙不平，有明顯放射狀條紋，如圖2所示。收斂處指向斷裂源，斷裂源為螺栓頭部和桿部交界處。

圖2 螺栓斷口宏觀形貌（箭頭指向斷裂源處）

圖3 斷面形貌（箭頭指向斷裂源處）

圖4 斷面形貌

（2）掃描電鏡分析 斷面表面SEM形貌如圖3～圖8所示。裂紋源處斷面形貌主要為沿晶斷裂形貌及解理形貌，斷面中部主要為河流狀解理形貌，剪切唇為韌窩形貌。判定此螺栓斷裂模式主要為延遲斷裂，裂紋源為頭部和桿部交界處。

圖5 斷裂源區(qū)斷面形貌

圖6 中部斷面形貌

圖7 剪切唇斷面形貌

圖8 剪切唇斷面放大形貌

3.2 化學(xué)成分分析

對失效螺栓進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可看出，螺栓化學(xué)成分符合SCr420B鋼的技術(shù)要求。

表1 SCr420B鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

3.3 硬度檢查

截取失效螺栓橫截面試樣進行洛氏硬度檢測，結(jié)果見表2。從表2可看出，失效件螺栓截面硬度偏高，不符合技術(shù)要求。

表2 截面硬度檢測結(jié)果 （HRC）

3.4 金相組織

對失效螺栓分別取樣觀察頭部和桿部交界處進行金相分析。失效件斷面組織如圖9～圖14所示。腐蝕后頭部和桿部交界處表面金相組織（見圖9）為回火索氏體和白色鐵素體；頭部和桿部交界處心部金相組織（見圖10）為回火索氏體及少量鐵素體和上貝氏體；失效件斷裂源處金相組織（見圖13）為回火索氏體和少量鐵素體；斷裂源附近處發(fā)現(xiàn)有沿晶小裂紋（見圖14）；斷裂區(qū)域晶粒度為8.5級。

圖9 頭部和桿部交界處表面組織（500×）

圖10 頭部和桿部交界處心部組織（500×）

圖11 失效件斷裂源處形貌（未腐蝕，50×）

圖12 失效件斷裂源處形貌（未腐蝕，500×）

圖13 失效件斷裂源處組織（500×）

圖14 失效件斷裂源附近組織（500×）

3.5 增碳與脫碳層測試

對失效件進行增碳與脫碳情況進行檢測，檢測位置如圖15所示，結(jié)果見表3。經(jīng)確認符合要求。

3.6 非金屬夾雜物分析

對失效螺栓進行非金屬夾雜物分析，檢測結(jié)果見表4，符合技術(shù)要求。

圖15 測試位置示意

表3 失效件增碳與脫碳檢查結(jié)果

表4 失效件金屬夾雜物評級結(jié)果

3.7 鍛造流線檢查

對試樣進行鍛造流線檢查，正常件可見明顯正常流線，失效件可見明顯連續(xù)流線，斷裂區(qū)域正好處于變形大區(qū)域，如圖16所示。

圖16 流線形貌（黃線內(nèi)為變形大區(qū)域）

4 結(jié)論

1）螺栓的化學(xué)成分均符合SCr420B鋼的技術(shù)要求。

2）失效螺栓的斷裂形式為延遲斷裂，起源于頭部和桿部的交界處，斷面初始處呈明顯的沿晶斷裂，中部則呈準解理河流花樣亦屬脆性斷裂。

3）失效件螺栓硬度不合格。

4）表面有脫碳現(xiàn)象，但根據(jù)G B/T3098.1—2010的要求測試，符合未增脫碳技術(shù)標準。

5）失效件的非金屬夾雜物的級別合格。

6）失效件的斷裂源處未發(fā)現(xiàn)明顯異常情況，螺栓頭部和桿部交界處變形明顯為應(yīng)力集中區(qū)。

此失效螺栓出現(xiàn)斷裂是在頭部和桿部交界處，主要因為制作過程中冷鐓成形應(yīng)力集中區(qū)，硬度偏高，在受到一定載荷后產(chǎn)生延遲斷裂。

5 建議

1）根據(jù)材料降低硬度控制范圍，降低加熱溫度或提高回火溫度，也可以采用冷卻速度慢一些的淬火冷卻介質(zhì)。

2）控制螺栓裝配扭矩，避免受力過大。