何 雷

(江蘇大學(xué)東海機(jī)械汽配研究院，江蘇 東海 222300)

1 引 言

載重車輪徑向疲勞性能試驗(yàn)中，選用一批規(guī)格為M22mm×1.5mm×89mm的短雙扁高強(qiáng)螺栓，強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)，如圖1所示。根據(jù)《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》(GB/T 5909-2009)技術(shù)要求，螺栓施加相應(yīng)裝配扭矩。隨著車輪徑向疲勞試驗(yàn)次數(shù)的增加，螺栓出現(xiàn)多根不同程度失效特征，失效位置多發(fā)生在螺母與車輪貼合處。

圖1 高強(qiáng)螺栓外觀

該批螺栓的材料為42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，生產(chǎn)工序：頭部加工→桿部加工→螺紋加工→整體淬火(HV 241～286)→高溫回火(HRC 45～50)→表面處理。后期通過(guò)對(duì)失效螺栓宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相分析、斷口分析等方法，總結(jié)其疲勞斷裂原因，并對(duì)后期螺栓使用和采購(gòu)提出改進(jìn)建議[1]。

2 金屬疲勞破壞機(jī)理

金屬疲勞破壞機(jī)理大致可以分成兩個(gè)階段，第一階段是疲勞裂紋萌生階段，第二階段是疲勞裂紋擴(kuò)展階段。金屬基體生產(chǎn)加工過(guò)程中，自身存在高應(yīng)力、高應(yīng)變區(qū)域及焊縫、切削磨削裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋等。除應(yīng)力集中處萌生裂紋外，金屬基體表面也是高應(yīng)力區(qū)域，處于切應(yīng)力狀態(tài)下，沿滑移面分離而造成的滑移面分離的斷裂。金屬材料裂紋成核的主要過(guò)程就是滑移，一般金屬滑移示意圖見(jiàn)圖2。在裂紋擴(kuò)展階段，裂紋將從與拉應(yīng)力成45°方向，逐漸轉(zhuǎn)向與拉應(yīng)力方向垂直[2]。隨著循環(huán)應(yīng)力作用，將會(huì)在疲勞源處和瞬斷區(qū)之間形成不規(guī)則的疲勞裂紋，形狀像貝克表面的同心圓弧線，叫疲勞貝紋線，如圖3所示。

圖2 金屬滑移示意圖

圖3 疲勞貝紋線

3 理化檢驗(yàn)

3.1 宏觀檢驗(yàn)

車輪徑向疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，高強(qiáng)螺栓持續(xù)承受恒幅循環(huán)應(yīng)力作用，高強(qiáng)螺栓多在螺母與車輪貼合處斷裂，如圖4所示，斷裂螺栓的宏觀形貌見(jiàn)圖5，斷口平整，通過(guò)觀察失效螺栓斷口處外緣，可見(jiàn)明顯的疲勞源區(qū)位于螺栓螺紋根部表面，且存在顏色較淺的月牙形狀損傷痕跡。疲勞源對(duì)面區(qū)域是脆性斷裂的瞬斷區(qū)，疲勞貝紋線以同心圓弧線的形狀分布于疲勞擴(kuò)展區(qū)，根據(jù)金屬疲勞破壞機(jī)理，此斷口呈現(xiàn)典型的金屬疲勞斷裂特征。

圖4 斷裂螺栓

圖5 螺栓斷口宏觀形貌

3.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂螺栓的外表面邊緣和內(nèi)部中心處分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1的結(jié)果可知，高強(qiáng)螺栓外表面化學(xué)成分符合《合金結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 3077-2015)中42CrMo材料的要求[3]，中心部位化學(xué)成分含量偏高。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

取同批次的3根斷裂螺栓，分別進(jìn)行表面及心部硬度測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)單根斷裂螺栓進(jìn)行硬度梯度測(cè)試，硬度從外圓表面到心部沿半徑方向呈明顯遞增分布，見(jiàn)圖6[4]。

表2 斷裂螺栓硬度測(cè)試結(jié)果

圖6 斷裂螺栓表面硬度梯度測(cè)試結(jié)果

3.4 金相分析

將斷裂螺栓斷口經(jīng)過(guò)4%硝酸酒精溶液清洗和處理后，放置于掃描電子顯微鏡(SEM)內(nèi)觀察[5](如圖7-圖9所示)。對(duì)失效螺栓微觀斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)螺栓螺紋根部疲勞紋理相對(duì)于疲勞擴(kuò)展區(qū)密度、亮度更加顯著，存在顏色較淺的月牙狀損傷痕跡，但未見(jiàn)明顯的金屬內(nèi)部缺陷。同時(shí)可見(jiàn)多條疲勞紋理，此處應(yīng)為最早形成的疲勞裂紋源區(qū)。疲勞擴(kuò)展區(qū)位于疲勞源區(qū)右側(cè)，失效螺栓斷面相對(duì)比較光滑，存在明顯規(guī)則狀疲勞貝紋線，并清晰可見(jiàn)少許二次裂紋。金相組織為回火索氏體組織，組織未見(jiàn)異常。瞬斷區(qū)的斷面更為粗糙，此區(qū)域呈現(xiàn)典型的撕裂韌窩形貌。

圖7 高強(qiáng)螺栓微觀斷口-疲勞源區(qū)

圖8 高強(qiáng)螺栓微觀斷口-擴(kuò)展區(qū)

圖9 高強(qiáng)螺栓微觀斷口-瞬斷區(qū)

4 分析與討論

失效螺栓疲勞源區(qū)位于螺栓螺紋根部外側(cè)表面，呈條狀沿螺栓徑向擴(kuò)展，疲勞擴(kuò)展區(qū)清晰可見(jiàn)條狀疲勞紋理和少許的二次裂紋，短雙扁高強(qiáng)螺栓可判斷為單向剪切疲勞斷裂[6]。通過(guò)金相分析微觀斷口可見(jiàn)，疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)呈現(xiàn)典型撕裂韌窩形貌。連接螺栓螺紋根部區(qū)域受剪切應(yīng)力最大，且應(yīng)力最為集中，導(dǎo)致連接螺栓裂紋由此處萌生。隨著徑向疲勞試驗(yàn)次數(shù)增加，連接螺栓發(fā)生剪切斷裂，加載載荷發(fā)生失穩(wěn)偏心，從而影響連接螺栓的受力而導(dǎo)致過(guò)載斷裂。

另外，失效螺栓中心部位化學(xué)成分超標(biāo)，組織偏析明顯，造成調(diào)質(zhì)后硬度過(guò)高，綜合力學(xué)性能降低，脆性增大，表面磨損產(chǎn)生的缺陷，引起了尖端缺口的作用，受到載荷的作用，缺陷處出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象[7]。

5 結(jié)論及建議

由以上分析情況得出以下結(jié)論：

(1)失效螺栓為受恒變載荷作用下剪切疲勞斷裂；

(2)失效螺栓存在內(nèi)部夾雜物，組織偏析明顯，熱處理工藝不良；

(3)螺栓裝配扭矩偏小，徑向試驗(yàn)加載載荷大造成高強(qiáng)螺栓承受過(guò)大載荷，造成螺栓螺紋根部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

針對(duì)此次試驗(yàn)多根螺栓斷裂故障，建議進(jìn)行以下改進(jìn)：

(1)嚴(yán)格把控螺栓熱處理時(shí)間，對(duì)調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行改良，通過(guò)控制淬火溫度、冷卻方式，控制螺栓質(zhì)量；

(2)嚴(yán)格按照車輪試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，施加相應(yīng)的裝配扭矩，并定期對(duì)連接螺栓扭矩進(jìn)行校核；

(3)表面增加碳化鎢噴涂，增加其耐磨性以減少試驗(yàn)過(guò)程中的表面磨損[8]；

(4)嚴(yán)控原材料檢驗(yàn)流程，加強(qiáng)理化試驗(yàn)抽樣檢驗(yàn)工作。