包錫桂(山重建機有限公司 質(zhì)保部, 臨沂 276000)

某挖掘機高強螺栓斷裂原因分析

包錫桂
(山重建機有限公司 質(zhì)保部, 臨沂 276000)

某挖掘機連接下車架與回轉(zhuǎn)支承的36支高強螺栓在使用過程中全部發(fā)生斷裂。采用宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗等方法，結(jié)合螺栓裝配、挖機工況等因素，對該批螺栓斷裂的原因進行了調(diào)查分析。結(jié)果表明：螺栓斷裂的性質(zhì)為疲勞斷裂；斷裂的原因是螺栓裝配不良，導致螺栓在使用中輕微松動，在挖掘機工作過程中的剪切力作用下，螺栓松動處產(chǎn)生疲勞裂紋，最終導致螺栓斷裂。

高強螺栓；斷裂；疲勞；裝配不良

高強螺栓是挖掘機上連接重要零部件的主要零件，螺栓本身的制造質(zhì)量和裝配質(zhì)量對螺栓的使用性能有直接影響。某挖機在使用1 128 h后出現(xiàn)連接下車架與回轉(zhuǎn)支承的36支緊固高強螺栓全部斷裂的故障，不僅給用戶造成了停工損失，也給主機廠造成了很大的經(jīng)濟損失。

該高強螺栓材料為40Cr鋼，尺寸為M22 mm×75 mm，強度級別為10.9級。螺栓的生產(chǎn)工藝流程為：熱軋盤→冷拔→球化(軟化)退火→機械除銹→酸洗磷化→冷拔→冷鐓成形→螺紋加工→熱處理→檢驗。為了徹底查清該高強螺栓斷裂的原因并預(yù)防故障的再次發(fā)生，筆者對其進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

挖機作業(yè)現(xiàn)場的36支高強螺栓全部斷裂，返回工廠進行檢驗和分析的螺栓共計16支，其余螺栓未返回。返回的16支斷裂螺栓長度基本一致，螺栓原長75 mm，斷裂后長度50 mm，斷裂螺栓外觀見圖1。

圖1 斷裂螺栓外觀Fig.1 Appearance of the fractured bolts

螺栓斷口宏觀形貌見圖2，其中方框區(qū)域為疲勞斷口的擴展區(qū)。16支斷裂螺栓中，全疲勞斷口的螺栓有6件，見圖2(a)；半疲勞斷口的螺栓有4件，見圖2(b)；小面積疲勞斷口的螺栓有2件，見圖2(c)；過載斷口的螺栓有4件，見圖2(d)。小面積疲勞斷口和過載斷口主要是由于過載斷裂引起的，因此下面主要對全疲勞斷口和半疲勞斷口進行分析。

從圖2(a)，(b)中的螺栓斷口宏觀形貌可以看出，斷裂部位沒有明顯的宏觀塑性變形痕跡，斷裂起源于螺紋牙底位置，斷口表面有明顯的裂紋擴展留下的海灘狀花紋，說明斷口為疲勞斷口，斷裂屬于疲勞斷裂。裂紋源處存在較多的臺階，說明裂紋并非起源于一點而是起源于多處。圖2(a)和(b)中斷口的疲勞擴展區(qū)面積分別約占整個斷口面積的95%和50%，表明螺栓在使用過程中承受的應(yīng)力較小[1]。

圖2 螺栓的4種斷口宏觀形貌Fig.2 Macroscopic fracture morphology of four types of the bolts:(a) full fatigue fracture; (b) semi fatigue fracture; (c) small area fatigue fracture; (d) overload fracture

1.2 化學成分分析

對斷裂螺栓取樣，使用QR-4D型碳硫分析儀和JS-5型電腦多元素分析儀進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。可見螺栓材料的化學成分符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對40Cr鋼的成分要求。

表1 斷裂螺栓的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured bolt (mass fraction) %

1.3 力學性能測試

由于斷裂后的螺栓長度不夠，因此無法進行拉伸試驗。對斷裂螺栓取樣進行硬度試驗和沖擊試驗，硬度測試的部位為螺栓的六方頭，沖擊試驗的取樣位置接近螺紋表面，試驗結(jié)果見表2，可見結(jié)果符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對10.9級螺栓的要求。

1.4 金相檢驗

使用SJP-6A型金相顯微鏡對斷裂螺栓進行金相檢驗，結(jié)果顯示螺栓的顯微組織為細回火索氏體，如圖3所示，符合GB/T 3098.1-2010的要求。

表2 斷裂螺栓的力學性能Tab.2 Mechanical properties of the fractured bolts

圖3 斷裂螺栓的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of the fracture bolt

1.5 酸蝕低倍檢驗

對4種斷口螺栓進行酸蝕低倍檢驗，查看螺栓的外觀是否存在缺陷。試驗方法依據(jù)GB/T 226-2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》，用1∶1(體積比)鹽酸溶液熱腐蝕螺栓15 min后，用熱水清洗干凈，再用吹風機吹干。

4種斷口螺栓的酸蝕低倍檢驗結(jié)果如圖4～7所示，4種螺栓的外觀均未發(fā)現(xiàn)影響螺栓強度的明顯的制造缺陷。

圖4 全疲勞斷口螺栓酸蝕后的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the bolt with full fatigue fracture after acid etching: (a) surface; (b) cross section

圖5 半疲勞斷口螺栓酸蝕后的宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of the bolt with semi fatigue fracture after acid etching: (a) surface; (b) cross section

圖6 小面積疲勞斷口螺栓酸蝕后的宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of the bolt with small area fatigue fracture after acid etching: (a) surface; (b) cross section

圖7 過載斷口螺栓酸蝕后的宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of the bolt with overload fracture after acid etching: (a) surface; (b) cross section

1.6 小結(jié)

通過對斷裂螺栓進行宏觀檢驗、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、酸蝕低倍檢驗，可見螺栓的各項性能參數(shù)均符合GB/T 3098.1-2010的要求，由此判斷斷裂不是由螺栓本身的制造質(zhì)量引起的。

2 螺栓裝配情況分析

為了查找螺栓斷裂的原因，對該批36支殘留在回轉(zhuǎn)支承絲孔內(nèi)的斷裂螺栓進行了全面的調(diào)查分析，如圖8所示。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，36支螺栓中，全疲勞斷口螺栓有14支，半疲勞斷口螺栓有12支，小面積疲勞斷口螺栓有5支，過載斷口螺栓有5支?？梢钥闯?6支緊固螺栓中，有31支斷口存在疲勞痕跡，只有5支是過載受力斷裂，屬于典型的疲勞斷裂引起的故障，由此可排除用戶使用不當?shù)囊蛩亍?/p>

誘發(fā)螺栓產(chǎn)生疲勞裂紋的原因大致有兩方面：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)，在挖機工作過程中受振動使缺陷成為疲勞源最終導致斷裂；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[2]。裝配前螺栓螺紋表面需涂抹厭氧密封膠，螺栓擰入絲孔后預(yù)緊，最后用扭矩扳手將螺栓擰緊至規(guī)定力矩。理化檢驗結(jié)果表明,螺栓的制造質(zhì)量沒有問題，因此排除第一方面的因素。接著驗證第二方面因素，對殘留在絲孔內(nèi)的全疲勞斷口螺栓和過載斷口螺栓進行拆解，來驗證螺栓的裝配擰緊情況。

全疲勞斷口螺栓殘留在絲孔內(nèi)的斷裂部分及絲孔形貌如圖9所示，未取出前可以見到螺紋孔口殘留有厭氧密封膠，斷裂螺栓用手即可取出。取出的斷裂螺栓和螺紋孔只有最上部兩扣螺紋有少量的厭氧膠殘留，下面螺紋旋合部分光滑，未發(fā)現(xiàn)殘留有厭氧膠，說明螺栓早已松動造成旋合部分摩擦光亮。

過載斷口殘留在內(nèi)齒圈內(nèi)的斷裂部分及絲孔形貌如圖10所示，未取出斷絲前可以見到螺紋孔口有厭氧膠殘留，取出的斷絲和螺紋孔內(nèi)有明顯的紅色厭氧膠殘留，螺紋旋合部分粗糙，用榔頭和鑿子用力才能將其取出。斷絲螺紋部分外表面保持了螺栓裝配前的外貌，螺栓表面的鍍鋅層沒有破壞，說明螺栓沒有松動。

通過對絲孔內(nèi)斷裂螺栓的觀察及分析可見：全疲勞斷口的螺栓在裝配時厭氧密封膠涂抹不均勻或絲孔內(nèi)螺紋清洗不徹底，導致密封膠沒有進入螺栓和絲孔螺紋的旋合部分，致使部分螺栓在使用中出現(xiàn)早期松動進而產(chǎn)生疲勞；當發(fā)展到31支螺栓均出現(xiàn)不同程度的疲勞裂紋時，挖機在工作回轉(zhuǎn)時受到反方向的作用力，而剩余的5支完好螺栓無法承受此時的作用力，最終導致36支螺栓瞬時全部斷裂的故障發(fā)生。

圖8 殘留在絲孔內(nèi)的螺栓斷口宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of the screw fracture remained in the screw holes:(a) full fatigue fracture; (b) semi fatigue fracture; (c) small area fatigue fracture; (d) overload fracture

圖9 全疲勞斷口斷絲的拆卸形貌Fig.9 Disassembly morphology of the broken screw with the full fatigue fracture: (a) broken screw; (b) screw hole

圖10 過載斷口斷絲的拆卸形貌Fig.10 Disassembly morphology of the broken screw with the overload fatigue fracture: (a) broken screw; (b) screw hole

3 結(jié)論及建議

該批螺栓的斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂，斷裂的原因是螺栓裝配不良。厭氧密封膠涂抹不均勻、絲孔內(nèi)螺紋清洗不干凈或擰緊力矩未達到圖紙要求，導致螺栓在使用中輕微松動；隨著挖機在工作過程中的左右回轉(zhuǎn)，在松動螺栓的上下結(jié)合面處對螺栓產(chǎn)生徑向剪切作用，對螺栓造成破壞，生成疲勞源，最終導致斷裂。

挖機在使用過程中振動很大，應(yīng)嚴格控制上下車架等重要連接部位的螺栓裝配質(zhì)量，防止此類故障的再發(fā)生。

[1] 劉瑞堂.機械零件的失效分析[M].北京:機械工業(yè)出版,1994.

[2] 張棟，鐘培道，陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004.

Analysis on Fracture Reasons of High Strength Bolts of One Digging Machine

BAO Xi-gui
(Quality Assurance Department, Strong Construction Machinery Co., Ltd., Linyi 276000, China)

The fracture occurred to all the 36 high strength bolts connecting the nether frame with the slewing bearing of the digging machine during use. By means of macro examination, chemical composition analysis, mechanical property testing, metallographic examination and so on, the fracture reasons of high strength bolts were investigated and analyzed combined with the factor of bolt assembly and working condition of the digging machine. The results show that: the fracture mechanism of the bolts was fatigue fracture; the fracture reason was that the assembly of the bolts was unqualified and it made the bolts slightly loose during use; under the action of the shear force of the digging machine, the fatigue cracks generated in the loose position of the bolts during working process, and finally the bolts fractured.

high strength bolt; fracture; fatigue; unqualified assembly

2016-05-09

包錫桂(1973-)，男，?？?，主要從事挖掘機進廠物資的理化分析檢驗、挖掘機零部件失效分析，13583999249@163.com。

10.11973/lhjy-wl201703013

TG115.2

B

1001-4012(2017)03-0204-04