武 坤,杨 帆,王秀健,李 皓,郑喜平 (郑州精益达汽车零部件有限公司,郑州 450000)
摘 要:某型号车轮螺栓在装配过程中出现拉长和断裂情况。采用宏观观察、化学成分分析、力 学性能测试、硬度测试、金相检验、扫描电镜及能谱分析、摩擦性能测试等方法,分析了螺栓拉长和 断裂的原因。结果表明:螺栓和螺母的扭矩系数一致性较差,在装配过程中,夹紧力超过螺栓屈服 强度,导致螺栓拉长;当扭矩系数过小时,夹紧力超过螺栓的抗拉强度,导致螺栓断裂。
关键词:车轮螺栓;塑性变形;拉长;断裂;扭矩系数 中图分类号:TB31;TH131 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)11-0065-04
车轮螺栓是车辆的重要零部件,是轮毂连接车 轮的高强度紧固件。某公司车轮螺栓为 A 厂家产 品,对应的车轮螺母为 A,B两个厂家产品。在螺栓 装配过程中,A 厂家的螺栓和螺母同时使用时未发 生失效,但在 A 厂家螺栓和 B 厂家螺母配合使用 时,约5%的螺栓出现拉长、断裂情况。为查明螺栓 拉长和断裂的原因,笔者进行了一系列理化检验,并 提出了相应改进措施,以避免该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
螺栓规格为20mm×1.5mm(外径×壁厚),性 能等级为10.9级,表面处理方式为磷化处理。拉长 和断裂螺栓的宏观形貌如图1所示,可见拉长螺栓 (1 # 螺栓)螺纹处产生明显的颈缩塑性变形,断裂螺 栓(2 # 螺栓)螺纹处发生断裂,断裂螺纹处同样产生 了明显的颈缩塑性变形[1]。
1.2 化学成分分析
螺栓材料为35CrMo合金钢,分别在1 # ,2 # 螺 栓上取尺寸为18mm×12mm(直径×长度)的圆 柱形试样,用磨床磨平,然后用 ARL3460型直读光 谱仪进行化学成分分析,结果如表1所示,可见1 # , 2 # 螺 栓 的 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T 3077—2015 《合金结构钢》的要求。
1.3 力学性能及硬度测试
在1 # ,2 # 螺 栓 的 同 批 次 螺 栓 上 取 样,依 据 GB/T228.1—2021《拉伸试验 第1部分:室温试验 方法》,用 CMT5305型微机控制电子万能试验机 对试样进行力学性能测试。在螺栓上截取厚度为 16mm 的圆柱形试样,用磨床磨平,然后用 HR-150 型洛氏硬度计对试样进行硬度测试。螺栓的力学性 能及硬度测试结果如表2所示,可见试样的力学性 能和硬度均符合技术要求。
1.4 金相检验
分别从1 # ,2 # 螺栓螺纹处截取纵向剖面试样,用 体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀,并用Axioscope5 型光学显微镜对试样进行金相检验,结果如图2,3所 示。由图2可知:1 # 螺栓螺纹无明显脱碳,螺纹根部 牙底过渡圆滑,无毛刺等缺陷,显微组织为回火索氏 体2级,符合 GB/T3098.1—2010 《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》的要求。由图3可知,2 # 螺栓的金 相检验结果与1 # 螺栓基本一致[2]。
1.5 扫描电镜(SEM)及能谱分析
将2 # 螺栓断口用线切割取样,经超声清洗后,对 试样进行宏观观察和 SEM 分析,结果如图4所示。 由图4可知:2 # 螺栓的断口断面整体粗糙,凹凸不平, 放射条纹方向明显,断面可分为裂纹源区、扩展区和 明显的剪切唇区[见图4a)];裂纹源区有较多的圆形 韧窝,有轻微的剪切痕迹,说明裂纹源处有力的长时 间集聚,该处受力超过了螺栓的屈服强度;扩展区为 准解理形貌,说明该区域裂纹扩展速率较快;螺栓最 终在剪切唇区发生一次性剪切断裂。 对试样进行能谱分析,分析位置如图4a)所示, 分析结果如图5所示,可见Fe元素的衍射峰比较明 显,除有少量 O 元素外,试样中无其他异常元素,可 排除夹杂物引起的断裂[3]。
2 摩擦性能测试
分别选取 A 厂家螺栓+A 厂家螺母和 A 厂家 螺栓+B厂家螺母各10组,按照 GB/T 16823.3— 2010 《紧固件 扭矩-夹紧力试验》,用 SCHATZ型 力学试验机对试样进行摩擦性能测试。首先拧紧 螺母至550N·m(装 配 力 矩),记 录 扭 矩 系 数 等 数 据,再拧紧 至 螺 栓 产 生 屈 服,记 录 屈 服 扭 矩、屈 服 夹紧力等数据。A 厂家螺栓+A 厂家螺母摩擦性 能的测试 结 果 如 表 3 所 示。由 表 3 可 知,扭 矩 系 数大部分为0.17~0.19,平均扭矩系数为0.18,标 准差为0.009,均符合 扭 矩 系 数 的 相 应 要 求,且 一 致性较好。
表 4 为 A 厂 家 螺 栓 +B 厂 家 螺 母 摩 擦 性 能 的 测 试 结 果 ,可 见 扭 矩 系 数 为 0.10~0.16,平 均 扭 矩 系 数 为 0.13,标 准 差 为 0.02,一 致 性 较 差 。
3 综合分析
螺栓是用夹紧力将多个零部件结合在一起,从 而达到紧固的目的。夹紧力测量困难,但夹紧力与 扭矩有一定的线性关系,且扭矩容易测量,因此,可 用控制扭矩的方法得到合适的夹紧力。扭矩系数、 夹紧力和扭矩之间的 T 关 = 系 K 如 F 式 d (1)所示。 (1) 式中:T 为扭矩;K 为扭矩系数;d 为螺纹的公称直 径;F 为夹紧力。 从式(1)可知,扭矩系数与夹紧力成反比,即当 扭矩系数减小时,夹紧力增大。在螺栓装配中,扭矩 系数减小会使夹紧力超过螺栓的屈服强度,导致螺 栓拉长变形,当夹紧力大到一定程度时,会导致螺栓 断裂。 车轮螺栓实际装配扭矩约为(550±50)N·m, 表4中所测最小屈服扭矩明显低于最大装配扭矩。 根据技术要求,屈服强度最小为900MPa,计算可知 螺栓屈服应力最小约为255kN,实际测试螺栓屈服 夹紧力均大于该值,因此,可排除材料性能问题。 将最大装配扭矩 T=600N·m 和螺栓最小屈 服夹紧力F=255kN 代入式(1),可得最小扭矩系 数 K 约为0.12,即扭矩系数不小于0.12可保证力 学性能合格的螺栓不发生屈服拉伸甚至断裂情况。 从摩擦性能测试结果可知:A 厂家螺栓+A 厂家螺 母的实测扭矩系数为0.17~0.19,屈服扭矩均大于 800N·m,说明螺栓发生屈服现象的可能性小;A 厂家螺栓+B 厂家螺母有3组实测扭矩系数小于0.12,其中有两组实测屈服扭矩小于600N·m,即装 配中有两组螺栓可能发生塑性变形。同时根据螺栓 受力结构分析,螺栓所需最小夹紧力为105kN,即 当装配扭矩最小时,最大扭矩系数 K 约为0.23,说 明理论计算扭矩系数保持在0.12~0.23可保证螺 栓夹紧力符合要求,为增大容错率,将扭矩系数控制 在0.15~0.20更为合适。 螺栓的扭矩系数 K 宏观上直接反映螺栓拧紧 过程中,扭矩与夹紧力之间的系数,K 值不仅取决 于摩擦面的摩擦系数,还取决于螺纹连接副的几何 状况。对理想的螺纹连接副而言,当摩擦系数确定 后,扭矩系数也就确定了[4]。通常情况下,在螺栓拧 紧过程中100%的扭矩有90%需要用于克服摩擦力 (50%用于克服螺栓螺母头的摩擦力,40%用于克服 螺纹副中的摩擦力),10%用于转化为夹紧力(见图 6),理论上只要有足够的夹紧力,就可以保证被夹零 件在振动、高温及低温等恶劣环境下安全工作。 图6 螺栓装配扭矩的分配示意 经以上分析可知,螺栓在装配过程中出现拉长 和断裂的主要原因为:B 厂家螺母摩擦系数控制较 差,与A厂 家 螺 栓 配 合 连 接 副 的 扭 矩 系 数 一 致 性 差,且扭矩系数较小,导致螺栓所受的夹紧力增大, 多个螺栓屈服扭矩明显低于装配扭矩,造成螺栓在 装配过程中出现拉长、断裂情况。因此,B厂家需要 对螺母的摩擦系数进行改进。
4 结论
(1)螺栓的显微组织、硬度、力学性能、屈服夹 紧力等均符合相应技术要求;断口处有明显的塑性 变形,属于一次性的拉伸过载断裂,裂纹源处无夹 杂物。 (2)造成螺栓失效的主要原因为:连接副扭矩 系数较低,螺栓夹紧力增大,个别螺栓屈服扭矩明显 低于实际装配可能达到的最大扭矩,导致装配过程 中出现螺栓拉长,甚至断裂的情况。B 厂家需对螺 母摩擦系数进行改进提升,保证一致性。 (3)经过 B厂家对螺母摩擦系数的工艺过程进 行改进提升,再次进行螺栓螺母扭矩系数试验,扭矩 系数均在0.15~0.20,使用至今的两年内未再次发 生该问题。