淺析螺釘斷裂失效原因與螺釘性能等級關系

段美姣 鄧智 張成成 張帥 尹粵卿

（格力電器（合肥）有限公司 安徽合肥 230000）

淺析螺釘斷裂失效原因與螺釘性能等級關系

段美姣 鄧智 張成成 張帥 尹粵卿

（格力電器（合肥）有限公司 安徽合肥 230000）

SWRCH22A盤條生產的十字盤頭螺釘在實際生產時發生斷裂失效，通過對螺釘進行成分測定、機械性能測試、強度校核，得出造成螺釘斷裂的主要原因為螺釘選型不合理，螺釘實際受力超出安全許用應力值使得螺釘屈服斷裂。因此從生產、結構和使用等方面提出了改善建議。

螺釘；斷裂；強度理論

1 引言

風管機掛鉤螺釘組合件固定后，靜置2小時，出現斷裂失效現象。該螺釘是由SWRCH22A熱軋盤條（φ6.5）加工而成，規格為M4，性能等級為4.8級。螺釘加工工藝過程為：熱軋盤條—粗拉—球化退火—精拉—墩頭—搓絲—表面滲碳—淬火—回火—鍍鋅—成品檢測和入庫。

2 斷口形貌

在顯微鏡下觀察斷口形貌（見圖1和圖2），發現斷口平整、斷口處呈材料本色，取斷裂部分制作試樣，觀察其內部顯微組織（見圖3），為鐵素體，未見裂紋和夾雜等缺陷。

3 理化檢驗

3.1 材料成分分析

取同批次完整螺釘，使用六次甲基四胺和鹽酸混合溶液去除螺釘表面鍍鋅層，用直讀光譜儀測量螺釘材料成分，結果見表1。

測試結果符合要求。

3.2 顯微維氏硬度測定

在斷裂螺釘中，取出螺桿部分，經打磨、拋光后使用顯微維氏硬度計（采用9.8N載荷）進行測量芯部硬度值，結果見表2。

芯部硬度偏大，中間脆性會變大，韌性降低。芯部硬度偏高與廠家滲碳和熱處理工藝有關，同時與螺釘性能等級、設計選型有關。

3.3 螺釘破壞力矩

取同一批次的完整螺釘進行破壞力矩的測試，結果見表3。

測試結果符合要求。

3.4 氫脆實驗

用燒杯盛取適量的液體石蠟，置燒杯于鐵架

臺石棉網上，點燃酒精燈加熱石蠟，用測溫計測量石蠟，使溫度保持在100℃～190℃，在此溫度停留5min以除去其所含水分，然后將螺釘放入石蠟中（石蠟將螺釘全部浸沒），大約10s左右觀察螺釘邊緣氣泡情況。無氣泡冒出代表去氫完全。

圖1 40X斷口形貌

圖2 100X斷口

試驗未發現起泡出現，試驗合格。

3.5 滲碳層深度測量

取斷裂螺釘，經鑲樣、打磨和拋光，使用濃度為4%的硝酸乙醇溶液進行腐蝕后，在顯微鏡進行觀察，用金相分析系統進行測量，實際測量為0.109-0.182mm（見圖4），要求滲碳層深度為0.10-0.25mm，實驗結果符合要求。

從以上實驗測試結果，排除了氫脆延遲斷和微量元素等不合格的影響。為找出原因，現對材料進行強度校核。

4 強度理論分析

強度是指材料承受荷載的能力或抵抗破壞的能力。通常認為當承受的荷載達到一定大小時，其材料就會在應力狀態最危險的一點處首先發生破壞。強度理論用于判斷材料在復雜應力狀態下是否破壞。圖5為本研究的螺釘組合件圖紙，圖中1為組合件用平墊圈，2為彈簧墊圈，3為M4X16螺釘。

4.1 強度校核一

螺旋副在力矩T和軸向載荷作用下的相對運動，可簡化成在中徑上水平力F推動滑塊沿螺紋運動，將螺紋沿中徑展開可得一個斜面，螺釘擰緊時沿螺紋上升相當于滑塊沿斜面向上運動（見圖6）。

當擰緊螺釘時，Fa為阻力，F為驅動力，FR為發向力矩和摩擦力fFn合成力。

作用在螺旋副上相應驅動力矩（擰緊力矩）:

式中：

d1—螺紋小徑，mm；

d2—螺紋中徑，mm；

n—紋的螺旋線數；

t—螺距，mm；

f—滑動螺旋副的摩擦系數；

β—牙型斜角。

螺釘在安裝時承受軸向拉力Fa和扭矩T的作用，危險剖面上既有拉伸應力又有剪切應力。因此，根據第四強度理論[1]計算應力值：

式中：

σe—材料的實際應力，MPa；σ—拉伸應力，MPa；τ—剪切應力，MPa；Fa—軸向拉力，N；T—扭矩，N?m；A—螺釘螺紋段的危險截面積，,mm2；

WT—螺釘螺紋段的危險截面抗扭模量，

圖3 顯微組織形貌

圖4 滲碳層深度

圖5 螺釘組合件圖

圖6 螺紋處的受力分析

此螺釘連接類型中常取摩擦系數f=0.10；由GB/T 196-2003[2]查得螺旋線數n=1，螺距t=0.70mm，牙型斜角β=30°，小徑d1=3.242mm，中徑d2=3.545mm。

該螺釘性能等級為4.8級，查表[3]得抗拉強度σb為400MPa，屈服強度σS為320MPa，取安全系數為1.5，則許用應力[σ]為213MPa。實際生產中使用扭矩為1.7N?m。代入數據計算，實際應力值為336MPa大于許用應力，因此材料強度偏小。

4.2 強度校核二

考慮螺釘打緊時與支承面摩擦力的影響，于是利用第四強度理論進一步進行分析。

螺釘螺紋M4×16mm，小徑d1=3.242mm，中徑d2=3.545mm，外徑d3=4mm，螺距t=0.7mm，擰緊時無潤滑，螺紋中的摩擦系數fp=0.1，支承面外徑D=9mm，內徑d0=4.9mm，支承端面上的摩擦因數fT=0.15。

（1）預緊力F

螺釘螺紋處的扭矩：

螺釘支承面處的摩擦力矩：

因預緊扭矩M=MT+MP=1.7×103N?mm，故

（2）拉應力σ1，σ2

作用在螺釘上的總拉力F =2.62×103N；

螺紋部分拉應力σ1=F/A1=317.6MPa；

光桿部分拉應力σ2=F/A2=272.5 MPa；

其中A1為螺釘截面積，A1=8.25mm2，A2為光桿部分截面積，A2=9.62mm2。

（3）切應力τ1，τ2

（4）預緊應力σ0，τ0

螺釘擰緊應力，由GB/T 16823.1-1997[4]，查表得AS=8.78mm2，則WT=7.48mm3。

（5）擰緊時螺紋部分實際應力

5 分析與討論

此機械螺釘是低碳鋼冷鐓成型后經過表面滲碳處理得到的，這樣螺釘表面硬度高，芯部韌性良好，保證它的穿透力。螺釘斷裂失效一般存在以下原因：氫脆斷裂，強度不夠，淬火裂紋和過渡滲碳等。通過對螺釘進行斷口形貌觀察，實驗分析和強度校核，結果表明螺釘斷裂失效與過渡滲碳和氫脆裂紋無關，內部顯微組織完好（見圖3），未見裂紋。因此螺釘強度不夠是主要的影響因素，其作用機理如下：螺釘在安裝時承受軸向拉力和扭矩的作用，危險剖面上既有拉伸應力又有剪切應力。螺釘實際受力超出安全許用應力值使得螺釘屈服斷裂。

因此螺釘的設計和使用應考慮實際使用情況，保證其強度滿足工作需要。

表1 材料成分分析結果（%）

表2 顯微硬度測試值

表3 破壞力矩測試值

6 結論及建議

（1）風管機掛鉤安裝螺釘斷裂主要原因是材料強度不夠，螺釘設計選型存在問題。

（2）為增加螺釘的強度，防止生產過程斷裂，提出以下建議：①生產廠家需提高螺釘熱處理工藝的穩定性，保證芯部硬度在合格范圍，提高自身性能等級的安全系數；②使用性能等級更高的材料生產螺釘，建議起承重作用的緊固螺釘選用8.8級以上螺釘，增強自身韌性及破壞扭矩；③優化工藝結構，減小裝配后剪切力對螺釘的影響，使用合適的力矩值進行固定。

[1] 東北大學、北京科技大學編《材料力學》第4版, 高等教育出版社, 2008.

[2] GB/T 196- 2003《普通螺紋基本尺寸》[S] .

[3] GB/T 3098.1-2000《緊固件機械性能 螺釘、螺栓和螺柱》.

[4] GB/T 16823.1-1997《螺紋緊固件應力截面積和承載面積》.

[5] 汪文翰, 何毅. SWRCH22A十字頭螺釘斷裂失效分析[B], 理化檢驗-物理分冊, 1001-4012(2011)11-0713-04.

Analyzing the relationship of screw fracture reasons and screw performance hierarchy

DUAN Meijiao DENG Zhi ZHANG Chengcheng ZHANG Shuai YIN Yueqin
（Gree Electric Appliances, inc.of Hefei Hefei 230000）

Crossed screws made of SWRCH22A wire rod were fractured in the actual production. By determining the material composition of screw, testing mechanical performance and checking the intensity, the results show that screw type selection was not reasonable, which was the main reason for the fracture. The actual stress was greater than the allowable stress values, so screws fractured. We give some improvement measures based on considering the production, structure and use of screws.

Screws; Fracture; Strength theory