(上海汽車集團(tuán)股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是由眾多零部件通過焊接、鉚接、粘接或螺紋連接等方式裝配而成的機(jī)器，其中螺紋連接所占比例最大。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)含有300～500個(gè)螺栓(釘)，30%的螺栓位于發(fā)動(dòng)機(jī)的重要位置，因此螺栓本身的制造質(zhì)量和裝配質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能。某發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)(800 h動(dòng)態(tài)臺(tái)架耐久試驗(yàn))進(jìn)行至545 h時(shí)，凸輪軸正時(shí)帶輪緊固螺栓發(fā)生斷裂。該螺栓材料為28B2鋼，生產(chǎn)工藝為調(diào)質(zhì)處理后螺紋成型，性能等級(jí)為10.9級(jí)，規(guī)格為M12 mm×1.25 mm×80 mm，夾緊長度為64 mm。為了查明該螺栓的斷裂原因，避免類似失效的再次發(fā)生，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示，可見其無明顯塑性變形，斷口位于距法蘭面第49～50節(jié)螺紋間，部分螺紋磨損嚴(yán)重。實(shí)際測得斷口至螺栓法蘭面的距離為64 mm，說明斷裂位置在螺栓夾緊處的螺紋旋合部位。

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured bolt

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)螺栓取樣，使用SPECTRO MAXx06型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示?？梢娐菟ǖ母髟睾烤蠌S家內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)28B2鋼的成分要求。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition analysis results of fractured bolt (mass fraction) %

1.3 硬度測試

使用Wilson R574型洛氏硬度計(jì)對(duì)螺栓的螺紋端心部位置進(jìn)行硬度測試，測試結(jié)果為38.1, 38.3, 38.3 HRC，可見螺栓的硬度符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》中10.9級(jí)螺栓洛氏硬度為32～39 HRC的要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

對(duì)斷裂螺栓取樣，使用Zeiss Axio Imager M2m型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示?？梢娐菟ǖ男牟拷M織正常，為回火索氏體[1-2]，螺紋表面無脫碳現(xiàn)象，螺紋牙底光滑，無尖角、缺口和裂紋等。

圖2 斷裂螺栓的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of fractured bolt: a) thread heart; b) thread surface; c) thread root

1.5 斷口分析

將螺栓斷口清洗干凈后，使用Zeiss EVO18型掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察，斷口整體形貌如圖3所示，將斷口標(biāo)記為A～F共6個(gè)區(qū)域。裂紋源位于螺紋牙底A區(qū)域處，有若干起源點(diǎn)，如圖4a)所示；B，C，D區(qū)域可見疲勞輝紋和大致平行的二次裂紋，具有疲勞斷裂特征[3-5]，如圖4b)～d)所示；E和F區(qū)域可見韌窩形貌，如圖4e)和圖4f)所示。

圖3 螺栓斷口整體形貌Fig.3 Overall morphology of bolt fracture

2 分析與討論

螺栓發(fā)生疲勞的原因一般有兩個(gè)方面：①螺栓本身存在制造缺陷(材料裂紋、熱處理裂紋、加工缺陷等)，在使用過程中螺栓受到振動(dòng)作用，該缺陷成為疲勞源，最終導(dǎo)致斷裂；②裝配過程中螺栓未擰緊或螺栓未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的預(yù)緊力，在使用過程中螺栓松動(dòng)引起疲勞斷裂[6]。上述理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，該螺栓的制造質(zhì)量沒有問題，因此排除第一方面的因素。

該凸輪軸正時(shí)帶輪緊固螺栓設(shè)計(jì)要求的預(yù)緊力應(yīng)不小于65 kN，裝配工藝采用扭矩法(110 N·m)。由于扭矩裝配方法中摩擦因數(shù)對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響很大，取3根同批次螺栓進(jìn)行摩擦因數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果分別為0.12，0.11，0.11，均在企業(yè)內(nèi)控要求(0.08～0.14)內(nèi)，因此排除摩擦因數(shù)不穩(wěn)定導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力偏差大的情況。

通過超聲波技術(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證110 N·m扭矩的裝配工藝能否達(dá)到螺栓預(yù)緊力要求。超聲波測試螺栓軸力是一種間接測試方法，其基本原理為聲彈性理論。螺栓在擰緊過程中自身會(huì)伸長，同時(shí)產(chǎn)生軸向力，超聲波從螺栓一端傳向另一端再反射回來會(huì)形成時(shí)間差，該時(shí)間差恰好與伸長量成正比，在彈性范圍內(nèi)根據(jù)胡克定律就可以得出螺栓軸力與超聲波時(shí)間差的正比關(guān)系[7]。取若干同批次螺栓，使用MC950數(shù)采儀和摩擦因數(shù)試驗(yàn)臺(tái)獲得螺栓軸力與超聲波時(shí)間差的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖5所示。隨機(jī)抽取一臺(tái)組裝中的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)110 N·m扭矩裝配工藝擰緊后的凸輪軸正時(shí)帶輪緊固螺栓進(jìn)行軸力測試，測試結(jié)果僅為50 kN。因此該螺栓的斷裂原因?yàn)槲淳o固到設(shè)計(jì)要求的預(yù)緊力，這導(dǎo)致其在使用過程中出現(xiàn)松動(dòng)，最終造成疲勞斷裂。

圖4 螺栓斷口A-F區(qū)域形貌Fig.4 Morphology of area A-F of bolt fracture

圖5 螺栓軸力與超聲波時(shí)間差關(guān)系曲線Fig.5 Correlation curve between bolt axial force and ultrasonic time difference

3 結(jié)論及建議

該凸輪軸正時(shí)帶輪緊固螺栓的斷裂模式為疲勞斷裂。螺栓未緊固到設(shè)計(jì)要求的預(yù)緊力，導(dǎo)致螺栓在使用過程中出現(xiàn)松動(dòng)，松動(dòng)的螺栓受到交變應(yīng)力的作用在凸輪軸內(nèi)部不斷振動(dòng)，于螺栓夾緊處的螺紋旋合部位萌生裂紋，最終發(fā)生疲勞斷裂。

建議重新制定凸輪軸正時(shí)帶輪緊固螺栓的裝配工藝，必要時(shí)可采用扭矩轉(zhuǎn)角法，以確保螺栓被緊固到設(shè)計(jì)要求的預(yù)緊力。