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、規格、等級、表面處理的選擇以及裝配工藝的設定等，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現場批量裝配時發生多次斷裂，螺栓材料牌號SCM435，性能等級10.9級，表面達克羅處理，裝配扭矩（90±9）N.m。

據生產現場反饋，生產線裝配的螺栓存在兩種批次，181101批次（新購）和171224批次（小批量裝車時剩余），現場斷裂的螺栓均為171224批次。

為分析螺栓斷裂的原因，對該斷裂螺栓、現場兩批次完好螺栓開展了斷口、化學成分、力學性能、擰緊性能方面的試驗分析，以便查找出螺栓斷裂原因。

2 試驗驗證及結果分析

2.1 斷口分析

2.1.1 宏觀斷口分析

對斷裂螺栓做宏觀斷口觀察發現，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 懸置螺栓化學成分測試（質量分數）

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，未發現異常缺陷，斷口微觀形貌呈拉伸變形的韌窩狀花樣[1]，見圖3。

從微觀形貌更進一步說明了螺栓的斷裂類型為過載導致的韌性斷裂。

2.2 化學成分分析

對斷裂螺栓斷口附近取樣進行化學成分分析，測試結果見表1，滿足SCM435材料的化學成分要求，螺栓化學成分合格。

表2 不同批次懸置螺栓機械性能測試

2.3 機械性能分析

對從生產現場存在的兩種批次的螺栓分別取樣做機械性能分析，測試結果見表2，滿足10.9級螺栓的機械性能要求，螺栓硬度、抗拉強度合格。

表3 不同批次懸置螺栓緊固特性值測試

2.4 擰緊試驗分析

從生產現場每批次抽取4只開展螺栓擰緊試驗驗證，設置的螺栓擰緊工藝為標準條件下將螺栓擰緊至斷裂。螺紋副的摩擦系數、K值、扭矩等為軸向力38.56 kN（ISO16047[2]中規定取被測螺栓保證載荷的75 %）時的測試值。測試結果見表3。

2.4.1 不同批次螺栓的緊固特性值對比分析

由兩批次螺栓擰緊試驗測得的螺栓緊固特性值結果可知，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，且測試結果的一致性較好，171224批次的緊固特性值波動較大，測試結果的一致性較差。

2.4.2 K系數對螺栓扭矩的影響分析

由兩批次螺栓擰緊試驗測得的螺栓緊固特性值結果可知，181101批次的K系數較穩定（0.21、0.22），171224批次的K系數波動較大（0.15-0.19），且較181101批次的低。

根據扭矩計算公式可知，在軸向力相同（F=38.56 kN）的情況下，K系數越小，總扭矩T越小；在總扭矩T相同的情況下，K系數越小，螺栓擰緊時的軸向力越大，越容易出現過載斷裂。

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生的軸向預緊力會比181101批次螺栓高，更容易出現斷裂現象。

2.4.3 μb、μth對軸向預緊力的影響分析

根據緊固扭矩公式：

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產生的軸向預緊力比181101批次螺栓要高，故更容易出現過載斷裂。

2.4.4 不同批次螺栓的預緊力與扭矩關系圖對比分析

螺栓的擰緊試驗設定的擰緊工藝為在標準條件下將螺栓擰緊至斷裂，對比其預緊力與扭矩關系圖見圖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定值（90±9）N.m，在按設定扭矩裝配時不會出現斷裂現象；

圖4 預緊力與扭矩關系圖（181101批次）

圖5 預緊力與扭矩關系圖（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，必然會產生過載斷裂。

2.4.5 螺栓擰緊試驗結果綜合分析

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變化有關，而導致螺栓摩擦系數變化原因與庫存時間有關系，螺栓庫存時間長會影響螺栓涂層的性能，致使螺栓的摩擦系數、K系數降低，進而在擰緊過程中產生較大的軸向預緊力，導致螺栓過載斷裂。

3 結論

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

2）由螺栓的擰緊試驗數據對比分析，螺栓摩擦系數的變化是導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場均要注意縮短螺栓、螺母類的庫存時間，按照產量合理制定采購計劃，避免因庫存時間過長而導致緊固件涂層發生性能變化；

2）建議對緊固件設定合理的的摩擦系數范圍，并在復用庫存時間較長的緊固件時先檢測其摩擦系數是否在定義范圍內。