擋泥板支架與車架固定螺栓斷裂分析

梁成成

(山西工程職業(yè)學(xué)院機電工程系，山西太原 030009)

0 引言

某重型卡車在整車耐久試驗行駛約1 000 km后，出現(xiàn)后擋泥板支架與車架固定螺栓斷裂現(xiàn)象。斷裂螺栓為性能等級10.9級的高強度螺栓，螺栓材質(zhì)為ML35CrMo，規(guī)格為M14 mm×1.5 mm，螺栓表面鍍達(dá)克羅處理，裝配扭矩為(175±26.3) N·m。該螺栓斷裂之前路試人員曾經(jīng)換過后擋泥板支架，然后在沒有定扭扳手的情況下憑經(jīng)驗將支架固定螺栓重新擰緊，因此螺栓再次擰緊時扭矩值沒有保證和記錄。該擋泥板支架按路試要求，需要滿足行駛里程10 000 km后不發(fā)生故障為合格，但其只覆蓋了試驗總里程的1/10時便發(fā)生了早期的功能失效。為了查明該螺栓斷裂原因，避免類似的斷裂失效再次發(fā)生，對斷裂后的后擋泥板支架固定螺栓進行了理化檢驗與分析[1]。

1 試驗部分

將斷裂螺栓斷口清理干凈，使用Olympus DSX1000型光學(xué)顯微鏡對其宏觀形貌進行觀察分析，并作出初步判斷；使用Zeiss Sigma300型掃描電子顯微鏡(SEM)對螺栓斷口微觀形貌進行觀察分析，并判斷斷裂類型；使用Zeiss Smartzoom 5型光學(xué)顯微鏡，對斷裂螺栓斷口附近基材進行金相檢驗；使用Swiss Thermo ARL4460型直讀光譜儀，對斷裂螺栓母材化學(xué)成分進行測量；采用美國Wilson R574洛氏硬度計，測試斷口區(qū)域的洛氏硬度。

2 理化檢驗

2.1 宏觀分析

3根斷裂螺栓，僅存螺紋部分，斷裂螺栓外觀如圖1所示，斷裂位置均位于螺栓的螺紋牙底處，螺栓斷口比較齊平，未見明顯的塑性變形特征。

圖1 斷裂螺栓外觀

對斷裂螺栓進行斷口宏觀分析，結(jié)果表明：3根斷裂螺栓的斷裂形貌可分為裂紋源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和最后瞬斷區(qū)3個區(qū)域[2-4]，斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖 2 斷裂螺栓斷口宏觀形貌

(1)觀察螺栓螺紋牙根處，可見疲勞裂紋源，裂紋源表面可見銹蝕、磨損的痕跡；

(2)疲勞擴展區(qū)，前期疲勞貝紋線不明顯，但隱約可見，后期裂紋擴展充分輝紋加粗細(xì)密平直，約占整個斷面面積的80%，呈疲勞特征；

(3)最后瞬斷區(qū)位于螺栓另一側(cè)，存在剪切特征，約占整個斷面面積的20%，最后瞬斷區(qū)較小，說明螺栓斷裂時所受應(yīng)力較小，為典型的低應(yīng)力高周疲勞斷裂特征。從最后瞬斷區(qū)與裂紋源區(qū)偏移一定的距離考慮，螺栓在斷裂前已經(jīng)松動；

(4)由于斷裂位置、機制一致，斷口破壞程度不同，抽取兩件螺栓進行理化分析。

綜上分析，螺栓宏觀的斷裂機制為疲勞斷裂[5-7]。

2.2 化學(xué)成分分析

試樣分別取自1#螺栓和2#螺栓，采用OES進行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果 單位：%

由表1可知，1#和2#斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 6478—2015標(biāo)準(zhǔn)對ML35CrMo鋼化學(xué)成分的要求。

2.3 洛氏硬度試驗

采用洛氏硬度計對斷裂螺栓進行芯部硬度(HRC)測試，硬度測試結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，1#螺栓平均值為37.8 HRC，2#螺栓平均值為38.0 HRC，其硬度符合GB/T 3098.1—2010中對洛氏硬度的要求。

表2 螺栓硬度測試結(jié)果

2.4 金相檢驗

在1#螺栓和2#螺栓斷口附近制取截面金相試樣，按GB/T 13298—2015標(biāo)準(zhǔn)依次鑲嵌、磨拋和腐蝕，觀察其微觀組織，根據(jù)GB/T 10561—2005/ISO 4967：2013(E)標(biāo)準(zhǔn)對非金屬夾雜物進行評定[8]，其評定結(jié)果見表3。

表3 非金屬夾雜物評定結(jié)果

斷裂螺栓裂紋源處無非金屬夾雜物凝聚現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)凹坑、折疊等表面缺陷，如圖3所示。

2.3 各組外周血及骨髓中轉(zhuǎn)錄因子Foxp3 mRNA、RORγt mRNA表達(dá)水平 結(jié)果(表3)表明：外周血及骨髓中，初發(fā)組及復(fù)發(fā)/難治組患者Foxp3較平臺期組和正常對照組升高(P<0.05)；初發(fā)組及復(fù)發(fā)/難治組RORγt mRNA略高于平臺期組及正常對照組，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義。

圖3 非金屬夾雜(100×)

采用4%的硝酸酒精浸蝕試樣后觀察基材金相組織發(fā)現(xiàn)：斷裂螺栓的顯微組織均為回火索氏體+少量鐵素體組織形貌，如圖4所示。

圖4 螺栓金相組織(500×)

對螺栓螺牙邊緣進行脫碳層檢測，結(jié)果顯示其桿部脫碳層深度為0 mm，即無脫碳層，如圖5所示。

圖5 螺牙邊緣組織(100×)

根據(jù)金相分析可知，螺栓裂紋源部位未見非金屬夾雜物超標(biāo)現(xiàn)象，螺栓經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，金相組織正常，螺紋無脫碳。

2.5 螺栓微觀斷口分析

采用掃描電子顯微鏡對1#螺栓和2#螺栓斷口表面進行觀測，螺栓斷口整體形貌如圖6所示。

圖6 螺栓斷口整體形貌

將1#螺栓斷口標(biāo)記為A1—A4共4個區(qū)域，2#螺栓斷口標(biāo)記為B1—B4共4個區(qū)域。A1和A2區(qū)為裂紋源區(qū)，區(qū)域磨損銹蝕較為嚴(yán)重，已無法觀察原始形貌，如圖7(a)和圖7(b)所示； B1、B2、C1、C2區(qū)為疲勞擴展區(qū)，觀察可見明顯疲勞輝紋條帶并伴有二次裂紋，呈疲勞斷裂特征[9-11]，如圖7(c)—(f)所示；D1和D2區(qū)為最后瞬斷區(qū)形貌，觀察1#呈剪切韌窩形貌，2#呈準(zhǔn)解理+韌窩形貌，如圖7(g)和圖7(h)所示。

圖7 螺栓斷口A1—D2區(qū)域形貌

根據(jù)上述微觀形貌圖分析得出，螺栓裂紋擴展的微觀機制為疲勞斷裂[12]。

3 分析與討論

斷裂螺栓斷口宏觀分析表明，斷裂螺栓裂紋源位于螺紋牙底處，裂紋源處未見明顯塑性變形，疲勞擴展區(qū)有疲勞貝殼紋特征，為典型的疲勞斷裂特征。

斷裂螺栓斷口的微觀組織形貌分析表明，裂紋源位于螺紋牙底處，并以疲勞的形式向螺栓芯部擴展，裂紋源區(qū)銹蝕嚴(yán)重，已無法觀看原始形貌，螺栓斷裂的微觀機制為疲勞斷裂。

誘發(fā)螺栓產(chǎn)生疲勞裂紋的原因大致有兩個方面：(1)螺栓本身存在制造缺陷(材料裂紋、加工缺陷、熱處理裂紋等)，螺栓在使用過程中受到振動沖擊，使缺陷成為疲勞源最終導(dǎo)致斷裂；(2)裝配過程中螺栓擰緊不良，在使用過程中螺栓松動引起疲勞斷裂[13]。上述各項檢驗結(jié)果表明，該螺栓的斷裂與材質(zhì)本身、熱處理及螺栓加工質(zhì)量無關(guān)，因此排除第一方面因素的影響。通過MES系統(tǒng)追溯螺栓出廠前的裝配扭矩，復(fù)查發(fā)現(xiàn)裝配扭矩滿足(175±26.3)N·m的工藝要求，因此排除首次裝配扭矩值超標(biāo)的影響。

后擋泥板支架在車架上安裝形式是懸臂梁結(jié)構(gòu)，該斷裂螺栓在安裝后承受的載荷主要是軸向預(yù)緊力及支架振動時的剪切應(yīng)力；耐久試驗樣車行駛路況較差，擋泥板支架將帶動螺栓進行上下振動，如果此刻螺栓連接產(chǎn)生松動，螺栓將承受較大的彎曲、沖擊等交變應(yīng)力，而螺紋底又是應(yīng)力集中部位，因此在該位置最先產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞裂紋在交變載荷反復(fù)作用下以疲勞的方式向螺栓芯部不斷擴展，直至最終螺栓失穩(wěn)斷裂。

由于該螺栓斷裂之前更換過后擋泥板支架，當(dāng)時是在沒有定扭扳手的情況下憑經(jīng)驗將支架固定螺栓擰緊的，故無從知曉螺栓二次裝配時的扭矩值大小。有可能當(dāng)時螺栓在裝配時扭矩值未達(dá)到(175±26.3) N·m的工藝要求。裝配扭矩值未達(dá)標(biāo)時，螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力會偏小，在此情況下螺栓使用一段時間后會出現(xiàn)松動，最終導(dǎo)致其疲勞斷裂。

4 結(jié)論

通過文中分析可知，后擋泥板支架與車架固定螺栓斷裂的性質(zhì)為低應(yīng)力高周疲勞斷裂；該螺栓安裝沒有采取防松措施造成螺栓松動，應(yīng)力集中的螺紋牙底受交變應(yīng)力作用而萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋在工作應(yīng)力及振動等交變載荷作用下不斷擴展，最后疲勞斷裂；更換后擋泥板支架時的裝配扭矩值是否達(dá)到(175±26.3)N·m，也可能是螺栓疲勞斷裂的原因[14]。為此，提出了一些改進措施：加強螺栓裝配工序的管理，確保螺栓達(dá)到設(shè)定的預(yù)緊力，并采用涂膠螺栓、防松螺母或雙螺母等防松措施[15];建議路試試驗人員在更換螺栓或其他零部件時，一定要按照設(shè)定的裝配扭矩用定扭扳手?jǐn)Q緊螺栓，避免因裝配扭矩不足或過大導(dǎo)致的螺栓失效問題。