發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓斷裂失效分析

葉楓，陳旺湘，胡志豪，馬照龍

浙江義利汽車零部件有限公司 浙江義烏 322000

1 序言

對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)而言，連桿螺栓不僅是將螺栓頭部和螺桿聯(lián)接在一起的緊固件，還是聯(lián)接連桿大端軸承座與軸承蓋使之成一體的重要螺栓。連桿螺栓不僅受到裝配時(shí)的預(yù)緊力[1]，在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行中還要承受活塞連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力和連桿旋轉(zhuǎn)離心力的交變載荷作用，而且在氣缸的壓縮和做功行程中，還要受到每分鐘上千次交變應(yīng)力的沖擊[2]。各種失效模式的研究和案例也時(shí)有報(bào)道[3-6]，對(duì)汽車用斷裂螺栓進(jìn)行失效分析，研究其產(chǎn)生故障的特征、規(guī)律及原因，可為汽車的生產(chǎn)、使用或維修中采取有針對(duì)性地改進(jìn)和預(yù)防措施提供理論依據(jù)，防止同類故障再次發(fā)生[7]。

2020年2月，某故障發(fā)動(dòng)機(jī)在拆機(jī)之后發(fā)現(xiàn)其中一缸的進(jìn)、排氣部位缸體被擊穿，連桿外露，另有緊固連桿的兩根螺栓發(fā)生斷裂（見圖1）。通過對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行失效分析，主要包括斷口分析、材料鑒定、擰緊工藝排查等方面，對(duì)螺栓的整個(gè)生命周期環(huán)節(jié)做了梳理，試圖從螺栓的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)檢測(cè)以及擰緊工藝等方面找出螺栓斷裂的原因，并解決連桿螺栓斷裂問題。

圖1 連桿斷裂螺栓

2 連桿螺栓

2.1 化學(xué)成分分析

斷裂螺栓規(guī)格為M8×1.0×40-6h，其強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)，螺栓材料SCM435，是JIS G4035—2003中的一種熱軋鋼線材，屬于低合金結(jié)構(gòu)用鋼，主要合金元素是Cr、Mo。表1列出JIS G4035—2003中SCM435化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求和斷裂螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果，符合要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 螺栓生產(chǎn)工藝

此批次螺栓是冷鐓成形、淬火+回火后滾絲，隨后表面磷化（見圖2）加涂油處理。已知滾絲過程會(huì)在螺栓表面形成殘余壓應(yīng)力，這對(duì)于提升螺栓的力學(xué)性能，尤其是疲勞性能大有好處。另外，根據(jù)John H.Bickford等[8]的研究，滾絲螺栓擰緊之后預(yù)緊力的分散性更小，也就是預(yù)緊力大小均勻。

圖2 螺栓螺紋根部鱗化層

在螺栓生產(chǎn)廠家，除了相關(guān)的尺寸檢測(cè)之外，還有化學(xué)成分、維氏硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及摩擦系數(shù)等檢測(cè)，其中化學(xué)成分、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)在我公司會(huì)再進(jìn)行抽查復(fù)檢。通過維氏硬度及金相組織檢測(cè)，結(jié)果均符合要求。

2.3 擰緊

扭矩法是緊固件最常用、最經(jīng)濟(jì)的擰緊方式，另外，還有扭矩+角度、屈服擰緊法等。扭矩+角度法和屈服法都能最大程度地利用緊固件的性能，相比扭矩法，其預(yù)緊力散差更小，也就是夾緊力控制精度更高。此斷裂螺栓的擰緊方式就是扭矩+角度法，最終扭矩在35～60N·m。回溯斷裂螺栓的擰緊曲線，未發(fā)現(xiàn)有異常擰緊情況。

2.4 螺栓常見的失效形式

根據(jù)螺栓失效發(fā)生時(shí)間的不同，可分為擰緊過程中失效和擰緊后失效。一般擰緊過程中失效形式主要包括螺栓擰斷、脫扣或滑牙，被連接件塑性變形或壓潰以及螺栓初始預(yù)緊力（Preload）不足（在后續(xù)的使用過程中引起失效）；擰緊后的失效形式主要包括螺栓靜態(tài)斷裂、螺栓疲勞斷裂、螺栓延遲斷裂、螺栓和被連接件的應(yīng)力腐蝕開裂，被連接件分離、被連接件相對(duì)滑動(dòng)以及螺栓松動(dòng)等。目前，在我公司遇見的失效形式既有擰緊過程中的失效，比如擰斷，又有擰緊后的失效，比如滑絲、斷裂等。每一種失效的原因各不相同，需要具體問題具體分析。因此掌握各種失效模式及其原因，對(duì)于提升螺栓失效分析的能力是必不可少。

3 斷口分析

3.1 斷口宏觀分析

從螺栓宏觀斷口形貌（見圖3）可以很清晰、直觀地看出，1#螺栓是疲勞斷裂，裂紋在螺紋根部形成，然后沿著兩個(gè)方向向心部擴(kuò)展，最后在心部因?yàn)檫^載而發(fā)生瞬斷，屬于典型拉伸疲勞斷裂方式；2#螺栓不但發(fā)生了部分疲勞斷裂，而且是與1#螺栓同時(shí)發(fā)生的，但因只在一個(gè)方向擴(kuò)展，所以相比1#螺栓，2#螺栓在1#螺栓完全斷裂時(shí)并沒有斷裂，而是在較高的載荷條件下發(fā)生了低周疲勞，繼續(xù)運(yùn)行一定周期后，因載荷過大而發(fā)生瞬時(shí)剪切斷裂。根據(jù)1#和2#螺栓的斷裂形貌可以推測(cè)，1#螺栓首先斷裂，此時(shí)2#螺栓的受力增加1倍，同時(shí)由于偏心作用，2#螺栓受到彎曲力矩，也就是發(fā)生彎曲疲勞，最后瞬時(shí)斷裂。同時(shí)我們觀察1#螺栓斷口可以發(fā)現(xiàn)，瞬斷區(qū)占整個(gè)斷口表面的比例很小，這就說明螺栓受到的交變應(yīng)力，也就是連桿工作過程中的載荷并不大。

圖3 螺栓的斷口形貌

3.2 斷口微觀形貌（裂紋源、擴(kuò)展區(qū)）

1#螺栓斷口螺紋根部和瞬斷區(qū)在掃描電鏡下的形貌如圖4所示。

圖4a中箭頭所指為裂紋源。根據(jù)前面所述，螺栓在工作過程中的交變載荷不大，因此裂紋源的出現(xiàn)說明螺牙根部有較高的應(yīng)力集中；顯微特征韌窩在螺栓斷口瞬斷區(qū)中較為明顯，如圖4b所示。根據(jù)文獻(xiàn)，螺栓在緊固過程中有3個(gè)應(yīng)力集中的位置：一是端面R角處，二是螺紋過渡處，三是第一顆嚙合螺紋處，具體如圖5所示的a、b和c處。兩顆螺栓的斷裂基本發(fā)生在相同的位置，也就是位置c處。此處有兩個(gè)應(yīng)力疊加，即在螺栓預(yù)緊力平均應(yīng)力和連桿運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)交變應(yīng)力作用下1#螺栓發(fā)生疲勞斷裂。2#螺栓也存在相同的狀況。圖6是1#螺栓裂紋擴(kuò)展區(qū)的顯微特征：圖中疲勞輝紋特征非常清晰，圖6中紅色箭頭指向裂紋擴(kuò)展方向。

圖4 1#螺栓斷口形貌

圖5 螺栓應(yīng)力集中位置（a、b、c）示意

圖6 1#螺栓裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋

3.3 斷裂螺栓螺紋特征

圖7和圖8為斷裂螺栓螺紋根部及表面在掃描電鏡中的形貌。1#螺栓如圖7所示，圖中清晰可見螺紋根部的磷化層完好無損，而螺紋擰緊表面的磷化層則已完全脫落，類似點(diǎn)蝕形貌，應(yīng)該是磷化層脫落留下的。圖8是2#螺栓瞬斷面螺紋根部發(fā)現(xiàn)的多處裂紋，裂紋尺寸沿著瞬斷面向螺紋端部有逐漸變小的趨勢(shì)，到第5根螺栓完全消失。螺栓根部裂紋證明了螺栓在瞬斷過程中彎曲應(yīng)力的存在，此時(shí)2#螺栓屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，存在反復(fù)彎曲載荷。

圖7 1#斷裂螺栓，紅色箭頭所指為螺紋根部

圖8 2#斷裂螺栓，紅色箭頭指向螺栓根部裂紋

4 分析與討論

根據(jù)ASTM E1150中關(guān)于疲勞的定義如下：疲勞是一個(gè)在交變應(yīng)力或者交變應(yīng)變的條件下從局部開始發(fā)生、逐步發(fā)展的，會(huì)造成金屬零部件或者材料結(jié)構(gòu)不可逆改變的形成裂紋或斷裂的過程。對(duì)于螺栓而言，存在一個(gè)交變應(yīng)力門檻值，只要交變應(yīng)力低于這個(gè)門檻值，則無論循環(huán)次數(shù)是多少，螺栓都不會(huì)發(fā)生斷裂。其門檻值的應(yīng)力幅值被稱之為“疲勞極限”。螺栓疲勞斷裂有兩種情況，一種是被聯(lián)接件沒有分離，也就是交變應(yīng)力幅值小于預(yù)緊力；二是預(yù)緊力小于交變應(yīng)力幅值。擰緊螺栓受到外部交變應(yīng)力作用時(shí)螺栓和緊固件的受力分析如圖9所示。

圖9 被聯(lián)接件拉伸交變應(yīng)力與軸向預(yù)緊力間的關(guān)系

綜上所述，無論外部載荷的大小是多少，連桿螺栓在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都會(huì)受到一個(gè)交變應(yīng)力，螺栓預(yù)緊力或軸向力太小是造成螺栓疲勞斷裂的原因。影響螺栓預(yù)緊力的因素有很多，其中影響預(yù)緊力散差大小的主要原因有摩擦系數(shù)散差、扭矩散差（擰緊工具）等，而此次斷裂螺栓的摩擦系數(shù)為0.08～0.14，目標(biāo)扭矩在35～60N·m。由于兩根斷裂螺栓的扭矩值都在目標(biāo)扭矩范圍之內(nèi)，因此推測(cè)最大可能是摩擦系數(shù)值不穩(wěn)定。預(yù)緊力小，也就是摩擦系數(shù)有可能超出上限。因此，改善疲勞斷裂的方法就是對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行更加嚴(yán)格的控制，或者改變螺栓的規(guī)格。

5 結(jié)束語

針對(duì)連桿斷裂螺栓失效分析可以得出如下結(jié)論：

1）兩根螺栓都屬于疲勞斷裂，其中最先斷裂的1#螺栓為高周疲勞斷裂；2#螺栓后斷，依次為高周疲勞、低周疲勞，最后為剪切瞬斷。

2）兩根螺栓疲勞斷裂的最大原因是其摩擦系數(shù)超出上限，以及螺紋根部存在比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中。