分享：压盖连接螺栓断裂原因

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• 1.

  河南航天精工制造有限公司，信阳 464000Henan Aerospace Precision Machining Co., Ltd., Xinyang 464000, China

• 2.

  河南省紧固连接技术重点实验室，信阳 464000Henan Key Laboratory of Fastening Connection Technology, Xinyang 464000, China

螺栓连接具有施工简单、可拆卸、承受载荷大、耐疲劳等优点，被广泛应用在诸多领域[1]。螺栓是一种重要的紧固件，其失效故障造成的危害较大[2]。

某型号自动镶嵌机在正常使用时压盖发生变形（见图1）。经检查发现该部位一侧4根连接螺栓发生断裂（见图2）。螺栓材料为35Cr钢，规格为M8 mm×30 mm（直径×长度），表面发黑处理，性能等级为12.9级。笔者采用一系列理化检验方法分析了螺栓断裂的原因，以避免该类事故再次发生。

图  1  镶嵌机变形部位外观

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图  2  断裂螺栓外观

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1.   理化检验

1.1   化学成分分析

对断裂螺栓进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学成分符合GB/T 3077—2015 《合金结构钢》对35Cr钢的要求。

Table  1.  断裂螺栓的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	Al
实测值	0.35	0.18	0.77	1.02	0.09	0.01	0.05
标准值	0.32~0.39	0.17~0.37	0.50~0.80	0.80~1.10	-	-	-

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1.2   宏观观察

采用体视显微镜对4根螺栓断口进行宏观观察，结果如图3所示。由图3可知：螺栓断口表面呈现3种颜色，裂纹源区呈灰色，1号和2号螺栓裂纹源区可见锈迹特征，存在陈旧性裂纹，有明显的撕裂脊，表明螺栓不是一次断裂，因为只有在镶嵌机工作时，螺栓才会受到交变载荷，镶嵌完成后载荷消失，导致螺栓开裂后并未完全断裂；扩展区呈银灰色，可见贝壳状条纹；瞬断区呈现暗灰色；从氧化程度可以看出，1号螺栓最早出现开裂，开裂后应力集中得到释放，再次受力时，2号螺栓应力集中程度增大并发生开裂，循环多次以后，3号螺栓同样出现开裂，但3号螺栓断口没有明显氧化现象，表明3号螺栓开裂后，镶嵌机在短时间内再次加压，导致4根螺栓瞬时断裂，4根螺栓的裂纹源均在螺纹牙底，呈线源特征，裂纹源区可观察到明显的台阶和放射棱线。

图  3  4根螺栓断口宏观形貌

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1.3   金相检验

在1号和4号螺栓断口位置截取金相试样，用硝酸乙醇溶液腐蚀试样，依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》对试样进行金相检验，结果如图4所示。由图4可知：断裂螺栓的显微组织均为正常回火索氏体，除牙顶存在折叠外，未发现其他表面不连续性，牙顶深度不超过牙型高度的25%，符合GB/T 5779.3—2000《紧固件表面缺陷 螺栓、螺钉和螺柱 特殊要求》标准中允许存在的缺陷；螺栓牙底有明显的白亮层，并且存在微裂纹。

图  4  断裂螺栓的微观形貌

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1.4   扫描电镜(SEM)及能谱分析

采用场发射扫描电镜对螺栓断裂口进行观察，结果如图5所示。由图5可知：断裂源区和扩展区可见明显的疲劳条带，主要呈疲劳特征[3-6]。

图  5  螺栓断口SEM形貌

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对螺栓断口进行能谱分析，结果如表2所示。由表2可知：1号和2号螺栓断裂源区的氧元素含量较高，表明1号和2号螺栓存在陈旧性裂纹。

Table  2.  4根螺栓断口能谱分析结果

项目	质量分数
	C	O	Cr	Mn	Si	Fe
1号螺栓断裂源区实测值	24.1	10.5	0.9	0.7	0.3	余量
1号螺栓扩展区实测值	9.2	0.8	1.1	0.9	0.3	余量
2号螺栓断裂源区实测值	14.1	5.8	0.9	0.7	0.1	余量
2号螺栓扩展区实测值	18.0	1.2	0.9	0.8	0.2	余量
3号螺栓断裂源区实测值	5.1	0.9	1.1	0.9	0.2	余量
3号螺栓扩展区实测值	9.1	0.8	0.9	0.9	0.1	余量
4号螺栓断裂源区实测值	19.0	1.3	0.8	0.6	0.2	余量
4号螺栓扩展区实测值	9.7	1.1	1.0	0.8	0.2	余量

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对螺栓白亮层进行能谱分析，结果如图6所示。由图6可知：白亮层中P元素含量较高，且大多只存在于牙底，可以判断白亮层应为磷聚层。12.9级螺栓表面存在磷聚层会降低螺栓的抗疲劳性能，增大螺栓表面脆性[7-14]，在镶嵌机工作过程中，磷聚层易萌生微裂纹，产生裂纹源，导致螺栓在低应力下发生疲劳断裂。

图  6  白亮层处能谱分析结果

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1.5   硬度测试

依据GB/T 4340.1—2009 《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》对断裂螺栓进行维氏硬度测试，结果如表3所示。由表3可知：断裂螺栓的硬度为402~415 HV，符合GB/T 3098.1—2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对12.9级螺栓的要求。

Table  3.  断裂螺栓的硬度测试结果

螺栓编号	实测值	平均值	标准值
1	415，411，410	412	385~435
2	418，416，409	414
3	409，413，425	415
4	416，393，396	402

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2.   有限元分析

利用Ansys软件对断裂螺栓进行有限元分析，结果如图7所示，对螺栓进行建模并进行结构化网格划分。由图7可知：镶嵌机加压时接合处螺纹牙底应力集中程度较大，螺栓的应力远小于其屈服强度，螺栓局部存在明显的应力集中。

图  7  断裂螺栓的有限元分析结果

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3.   综合分析

由上述理化检验结果可知，螺栓断口无明显塑性变形，宏观可观察到贝壳状条纹，贝纹线弧度向瞬断区扩展，表明两侧裂纹扩展速率快于心部裂纹扩展速率，且断裂部位位于螺纹牙底，存在明显的应力集中。断裂源区可观察到明显的台阶和放射棱线，断裂源区和扩展区可见明显的疲劳条带。因此，可以判定螺栓的断裂性质为疲劳断裂。

镶嵌机在工作过程中，电机输出恒定压力以保证镶嵌试样的致密度，镶嵌料由粉末颗粒状先溶化、再凝固成块状，由于材料的体积逐渐减小，为了保证压力，镶嵌机反复加压使材料产生间歇性载荷，镶嵌完成后载荷消失。镶嵌机加载曲线如图8所示，镶嵌机施加的最大压力约为32.09 MPa。

图  8  镶嵌机加载曲线

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镶嵌机工作时需要加热熔化镶嵌料，由于热传导的作用，螺栓也会升温产生热应力，热应力的计算方法如式（1）所示。

式中：σ为热应力；E为材料弹性模量；α为材料热膨胀系数；ΔT为材料变化温度。

镶嵌机工作的最高温度约为160 ℃，由于热传导的作用，螺栓升温至约50 ℃时，35Cr钢的弹性模量为205 GPa，热膨胀系数为1.2×10－5 ℃－1，可以计算出此时螺栓受到的热应力约为0.154 MPa。综上分析表明，镶嵌机工作时螺栓受到的最大应力约为32.244 MPa，远小于螺栓的屈服强度。

4.   结论与建议

螺栓局部存在明显应力集中，热处理前去磷处理不当，导致热处理后在牙底凹坑处形成磷聚层。在镶嵌机工作时，螺栓受到交变应力的作用，牙底磷聚层萌生了微裂纹，最终导致螺栓发生疲劳断裂。

建议在热处理前进行去磷处理，加强螺栓的质量控制