懸置螺栓斷裂失效分析

龐院，王福平，馬秋，郭秋彥，袁成逸

（浙江吉利汽車研究院有限公司，寧波 315336）

引言

汽車懸置螺栓的作用是將動(dòng)力總成與車體連接在一起，是整車裝配中非常重要的緊固件。懸置螺栓的材料、規(guī)格、等級(jí)、表面處理的選擇以及裝配工藝的設(shè)定等，都直接或間接的影響懸置裝配的可靠性。

1 背景介紹

某車型懸置螺栓在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)批量裝配時(shí)發(fā)生多次斷裂，螺栓材料牌號(hào)SCM435，性能等級(jí)10.9級(jí)，表面達(dá)克羅處理，裝配扭矩（90±9）N.m。

據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋，生產(chǎn)線裝配的螺栓存在兩種批次，181101批次（新購(gòu)）和171224批次（小批量裝車時(shí)剩余），現(xiàn)場(chǎng)斷裂的螺栓均為171224批次。

為分析螺栓斷裂的原因，對(duì)該斷裂螺栓、現(xiàn)場(chǎng)兩批次完好螺栓開展了斷口、化學(xué)成分、力學(xué)性能、擰緊性能方面的試驗(yàn)分析，以便查找出螺栓斷裂原因。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

2.1 斷口分析

2.1.1 宏觀斷口分析

對(duì)斷裂螺栓做宏觀斷口觀察發(fā)現(xiàn)，螺栓從螺紋根部附近斷裂，斷口附近有明顯的塑形變形和縮頸，斷裂圖片見圖1所示；斷口有明顯的扭轉(zhuǎn)痕跡，斷口圖片見圖2。

綜合宏觀斷口分析，初步判定螺栓的斷裂形式為過載斷裂。

圖1 斷裂螺栓宏觀圖片

圖2 宏觀斷口圖片

圖3 微觀斷口圖片

表1 懸置螺栓化學(xué)成分測(cè)試（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.1.2 微觀斷口分析

將斷口表面清洗后在掃描電鏡下做微觀分析，未發(fā)現(xiàn)異常缺陷，斷口微觀形貌呈拉伸變形的韌窩狀花樣[1]，見圖3。

從微觀形貌更進(jìn)一步說明了螺栓的斷裂類型為過載導(dǎo)致的韌性斷裂。

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂螺栓斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，測(cè)試結(jié)果見表1，滿足SCM435材料的化學(xué)成分要求，螺栓化學(xué)成分合格。

表2 不同批次懸置螺栓機(jī)械性能測(cè)試

2.3 機(jī)械性能分析

對(duì)從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在的兩種批次的螺栓分別取樣做機(jī)械性能分析，測(cè)試結(jié)果見表2，滿足10.9級(jí)螺栓的機(jī)械性能要求，螺栓硬度、抗拉強(qiáng)度合格。

表3 不同批次懸置螺栓緊固特性值測(cè)試

2.4 擰緊試驗(yàn)分析

從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)每批次抽取4只開展螺栓擰緊試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)置的螺栓擰緊工藝為標(biāo)準(zhǔn)條件下將螺栓擰緊至斷裂。螺紋副的摩擦系數(shù)、K值、扭矩等為軸向力38.56 kN（ISO16047[2]中規(guī)定取被測(cè)螺栓保證載荷的75 %）時(shí)的測(cè)試值。測(cè)試結(jié)果見表3。

2.4.1 不同批次螺栓的緊固特性值對(duì)比分析

由兩批次螺栓擰緊試驗(yàn)測(cè)得的螺栓緊固特性值結(jié)果可知，181101、171224兩批次的螺栓在軸向力相同的情況下，181101批次螺栓的緊固特性值（Ttot、Tb、Tth、μtot、μb、μth、K）均高于171224批次的螺栓，且測(cè)試結(jié)果的一致性較好，171224批次的緊固特性值波動(dòng)較大，測(cè)試結(jié)果的一致性較差。

2.4.2 K系數(shù)對(duì)螺栓扭矩的影響分析

由兩批次螺栓擰緊試驗(yàn)測(cè)得的螺栓緊固特性值結(jié)果可知，181101批次的K系數(shù)較穩(wěn)定（0.21、0.22），171224批次的K系數(shù)波動(dòng)較大（0.15-0.19），且較181101批次的低。

根據(jù)扭矩計(jì)算公式可知，在軸向力相同（F=38.56 kN）的情況下，K系數(shù)越小，總扭矩T越?。辉诳偱ぞ豑相同的情況下，K系數(shù)越小，螺栓擰緊時(shí)的軸向力越大，越容易出現(xiàn)過載斷裂。

因此，若在裝配扭矩均為（90±9）N.m的情況下，171224批次的螺栓在擰緊過程中產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力會(huì)比181101批次螺栓高，更容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

2.4.3 μb、μth對(duì)軸向預(yù)緊力的影響分析

根據(jù)緊固扭矩公式：

可知，在總扭矩T相同的情況下，μb、μth越小，軸向預(yù)緊力F越大。因此在相同的裝配扭矩（90±9）N.m的情況下，171224批次螺栓在裝配擰緊時(shí)產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力比181101批次螺栓要高，故更容易出現(xiàn)過載斷裂。

2.4.4 不同批次螺栓的預(yù)緊力與扭矩關(guān)系圖對(duì)比分析

螺栓的擰緊試驗(yàn)設(shè)定的擰緊工藝為在標(biāo)準(zhǔn)條件下將螺栓擰緊至斷裂，對(duì)比其預(yù)緊力與扭矩關(guān)系圖見圖4、圖5。

由圖4可知，181101批次的螺栓擰緊一致性較好，最終擰緊的斷裂扭矩為（120～150）N.m，斷裂扭矩大于裝配設(shè)定值（90±9）N.m，在按設(shè)定扭矩裝配時(shí)不會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；

圖4 預(yù)緊力與扭矩關(guān)系圖（181101批次）

圖5 預(yù)緊力與扭矩關(guān)系圖（171224批次）

由圖5可知，171224批次螺栓擰緊一致性較差，且4只螺栓有兩只的擰緊斷裂扭矩分別約80 N.m、96 N.m，若按螺栓的裝配扭矩（90±9）N.m來裝配的話，必然會(huì)產(chǎn)生過載斷裂。

2.4.5 螺栓擰緊試驗(yàn)結(jié)果綜合分析

綜合上述分析可以推斷，該懸置螺栓的斷裂與螺栓表面的摩擦系數(shù)變化有關(guān)，而導(dǎo)致螺栓摩擦系數(shù)變化原因與庫存時(shí)間有關(guān)系，螺栓庫存時(shí)間長(zhǎng)會(huì)影響螺栓涂層的性能，致使螺栓的摩擦系數(shù)、K系數(shù)降低，進(jìn)而在擰緊過程中產(chǎn)生較大的軸向預(yù)緊力，導(dǎo)致螺栓過載斷裂。

3 結(jié)論

1）綜合上述分析，螺栓的化學(xué)成分、機(jī)械性能均滿足技術(shù)要求，從螺栓的斷口分析，該螺栓為過載斷裂；

2）由螺栓的擰緊試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，螺栓摩擦系數(shù)的變化是導(dǎo)致螺栓過載斷裂的主要原因。

4 建議

1）建議從緊固件廠家到裝配現(xiàn)場(chǎng)均要注意縮短螺栓、螺母類的庫存時(shí)間，按照產(chǎn)量合理制定采購(gòu)計(jì)劃，避免因庫存時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致緊固件涂層發(fā)生性能變化；

2）建議對(duì)緊固件設(shè)定合理的的摩擦系數(shù)范圍，并在復(fù)用庫存時(shí)間較長(zhǎng)的緊固件時(shí)先檢測(cè)其摩擦系數(shù)是否在定義范圍內(nèi)。