某型號車輪螺栓拉長和斷裂原因

武 坤,楊 帆,王秀健,李 皓,鄭喜平

(鄭州精益達(dá)汽車零部件有限公司,鄭州 450000)

車輪螺栓是車輛的重要零部件，是輪轂連接車輪的高強(qiáng)度緊固件。某公司車輪螺栓為A廠家產(chǎn)品，對應(yīng)的車輪螺母為A，B兩個廠家產(chǎn)品。在螺栓裝配過程中，A廠家的螺栓和螺母同時使用時未發(fā)生失效，但在A廠家螺栓和B廠家螺母配合使用時，約5%的螺栓出現(xiàn)拉長、斷裂情況。為查明螺栓拉長和斷裂的原因，筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)，并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

螺栓規(guī)格為20 mm×1.5 mm(外徑×壁厚)，性能等級為10.9級，表面處理方式為磷化處理。拉長和斷裂螺栓的宏觀形貌如圖1所示，可見拉長螺栓(1#螺栓)螺紋處產(chǎn)生明顯的頸縮塑性變形，斷裂螺栓(2#螺栓)螺紋處發(fā)生斷裂，斷裂螺紋處同樣產(chǎn)生了明顯的頸縮塑性變形[1]。

圖1 拉長和斷裂螺栓的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

螺栓材料為35CrMo合金鋼，分別在1#，2#螺栓上取尺寸為18 mm×12 mm(直徑×長度)的圓柱形試樣，用磨床磨平，然后用ARL3460型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見1#，2#螺栓的各元素含量均符合GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》的要求。

表1 1#，2#螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 力學(xué)性能及硬度測試

在1#，2#螺栓的同批次螺栓上取樣，依據(jù)GB/T 228.1—2021 《拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，用CMT 5305型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試。在螺栓上截取厚度為16 mm的圓柱形試樣，用磨床磨平，然后用HR-150型洛氏硬度計(jì)對試樣進(jìn)行硬度測試。螺栓的力學(xué)性能及硬度測試結(jié)果如表2所示，可見試樣的力學(xué)性能和硬度均符合技術(shù)要求。

表2 螺栓的力學(xué)性能及硬度測試結(jié)果

1.4 金相檢驗(yàn)

分別從1#，2#螺栓螺紋處截取縱向剖面試樣，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕，并用Axioscope 5型光學(xué)顯微鏡對試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2，3所示。由圖2可知：1#螺栓螺紋無明顯脫碳，螺紋根部牙底過渡圓滑，無毛刺等缺陷，顯微組織為回火索氏體2級，符合GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求。由圖3可知，2#螺栓的金相檢驗(yàn)結(jié)果與1#螺栓基本一致[2]。

圖2 1#螺栓的顯微組織形貌

圖3 2#螺栓的顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

將2#螺栓斷口用線切割取樣，經(jīng)超聲清洗后，對試樣進(jìn)行宏觀觀察和SEM分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：2#螺栓的斷口斷面整體粗糙，凹凸不平，放射條紋方向明顯，斷面可分為裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和明顯的剪切唇區(qū)[見圖4a)]；裂紋源區(qū)有較多的圓形韌窩，有輕微的剪切痕跡，說明裂紋源處有力的長時間集聚，該處受力超過了螺栓的屈服強(qiáng)度；擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)解理形貌，說明該區(qū)域裂紋擴(kuò)展速率較快；螺栓最終在剪切唇區(qū)發(fā)生一次性剪切斷裂。

對試樣進(jìn)行能譜分析，分析位置如圖4a)所示，分析結(jié)果如圖5所示，可見Fe元素的衍射峰比較明顯，除有少量O元素外，試樣中無其他異常元素，可排除夾雜物引起的斷裂[3]。

圖4 2#螺栓的斷口宏觀和SEM形貌

圖5 2#螺栓斷口的能譜分析結(jié)果

2 摩擦性能測試

分別選取A廠家螺栓+A廠家螺母和A廠家螺栓+B廠家螺母各10組，按照GB/T 16823.3—2010 《緊固件 扭矩-夾緊力試驗(yàn)》，用SCHATZ型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行摩擦性能測試。首先擰緊螺母至550 N·m(裝配力矩)，記錄扭矩系數(shù)等數(shù)據(jù)，再擰緊至螺栓產(chǎn)生屈服，記錄屈服扭矩、屈服夾緊力等數(shù)據(jù)。A廠家螺栓+A廠家螺母摩擦性能的測試結(jié)果如表3所示。由表3可知，扭矩系數(shù)大部分為0.17～0.19，平均扭矩系數(shù)為0.18，標(biāo)準(zhǔn)差為0.009，均符合扭矩系數(shù)的相應(yīng)要求，且一致性較好。

表3 A廠家螺栓+A廠家螺母摩擦性能的測試結(jié)果

表4為A廠家螺栓+B廠家螺母摩擦性能的測試結(jié)果，可見扭矩系數(shù)為0.10～0.16，平均扭矩系數(shù)為0.13，標(biāo)準(zhǔn)差為0.02，一致性較差。

表4 A廠家螺栓+B廠家螺母摩擦性能的測試結(jié)果

3 綜合分析

螺栓是用夾緊力將多個零部件結(jié)合在一起，從而達(dá)到緊固的目的。夾緊力測量困難，但夾緊力與扭矩有一定的線性關(guān)系，且扭矩容易測量，因此，可用控制扭矩的方法得到合適的夾緊力。扭矩系數(shù)、夾緊力和扭矩之間的關(guān)系如式(1)所示。

T=KFd

(1)

式中：T為扭矩；K為扭矩系數(shù)；d為螺紋的公稱直徑；F為夾緊力。

從式(1)可知，扭矩系數(shù)與夾緊力成反比，即當(dāng)扭矩系數(shù)減小時，夾緊力增大。在螺栓裝配中，扭矩系數(shù)減小會使夾緊力超過螺栓的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致螺栓拉長變形，當(dāng)夾緊力大到一定程度時，會導(dǎo)致螺栓斷裂。

車輪螺栓實(shí)際裝配扭矩約為(550±50) N·m，表4中所測最小屈服扭矩明顯低于最大裝配扭矩。根據(jù)技術(shù)要求，屈服強(qiáng)度最小為900 MPa，計(jì)算可知螺栓屈服應(yīng)力最小約為255 kN，實(shí)際測試螺栓屈服夾緊力均大于該值，因此，可排除材料性能問題。

將最大裝配扭矩T=600 N·m和螺栓最小屈服夾緊力F=255 kN代入式(1)，可得最小扭矩系數(shù)K約為0.12，即扭矩系數(shù)不小于0.12可保證力學(xué)性能合格的螺栓不發(fā)生屈服拉伸甚至斷裂情況。從摩擦性能測試結(jié)果可知：A廠家螺栓+A廠家螺母的實(shí)測扭矩系數(shù)為0.17～0.19，屈服扭矩均大于800 N·m，說明螺栓發(fā)生屈服現(xiàn)象的可能性??；A廠家螺栓+B廠家螺母有3組實(shí)測扭矩系數(shù)小于0.12，其中有兩組實(shí)測屈服扭矩小于600 N·m，即裝配中有兩組螺栓可能發(fā)生塑性變形。同時根據(jù)螺栓受力結(jié)構(gòu)分析，螺栓所需最小夾緊力為105 kN，即當(dāng)裝配扭矩最小時，最大扭矩系數(shù)K約為0.23，說明理論計(jì)算扭矩系數(shù)保持在0.12～0.23可保證螺栓夾緊力符合要求，為增大容錯率，將扭矩系數(shù)控制在0.15～0.20更為合適。

螺栓的扭矩系數(shù)K宏觀上直接反映螺栓擰緊過程中，扭矩與夾緊力之間的系數(shù)，K值不僅取決于摩擦面的摩擦系數(shù)，還取決于螺紋連接副的幾何狀況。對理想的螺紋連接副而言，當(dāng)摩擦系數(shù)確定后，扭矩系數(shù)也就確定了[4]。通常情況下，在螺栓擰緊過程中100%的扭矩有90%需要用于克服摩擦力(50%用于克服螺栓螺母頭的摩擦力，40%用于克服螺紋副中的摩擦力)，10%用于轉(zhuǎn)化為夾緊力(見圖6)，理論上只要有足夠的夾緊力，就可以保證被夾零件在振動、高溫及低溫等惡劣環(huán)境下安全工作。

圖6 螺栓裝配扭矩的分配示意

經(jīng)以上分析可知，螺栓在裝配過程中出現(xiàn)拉長和斷裂的主要原因?yàn)椋築廠家螺母摩擦系數(shù)控制較差，與A廠家螺栓配合連接副的扭矩系數(shù)一致性差，且扭矩系數(shù)較小，導(dǎo)致螺栓所受的夾緊力增大，多個螺栓屈服扭矩明顯低于裝配扭矩，造成螺栓在裝配過程中出現(xiàn)拉長、斷裂情況。因此，B廠家需要對螺母的摩擦系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論

(1) 螺栓的顯微組織、硬度、力學(xué)性能、屈服夾緊力等均符合相應(yīng)技術(shù)要求；斷口處有明顯的塑性變形，屬于一次性的拉伸過載斷裂，裂紋源處無夾雜物。

(2) 造成螺栓失效的主要原因?yàn)椋哼B接副扭矩系數(shù)較低，螺栓夾緊力增大，個別螺栓屈服扭矩明顯低于實(shí)際裝配可能達(dá)到的最大扭矩，導(dǎo)致裝配過程中出現(xiàn)螺栓拉長，甚至斷裂的情況。B廠家需對螺母摩擦系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)提升，保證一致性。

(3) 經(jīng)過B廠家對螺母摩擦系數(shù)的工藝過程進(jìn)行改進(jìn)提升，再次進(jìn)行螺栓螺母扭矩系數(shù)試驗(yàn)，扭矩系數(shù)均在0.15～0.20，使用至今的兩年內(nèi)未再次發(fā)生該問題。