梁成成

(山西工程職業(yè)學院機電工程系，山西太原 030009)

0 引言

某重型卡車在整車耐久試驗行駛約1 000 km后，出現后擋泥板支架與車架固定螺栓斷裂現象。斷裂螺栓為性能等級10.9級的高強度螺栓，螺栓材質為ML35CrMo，規(guī)格為M14 mm×1.5 mm，螺栓表面鍍達克羅處理，裝配扭矩為(175±26.3) N·m。該螺栓斷裂之前路試人員曾經換過后擋泥板支架，然后在沒有定扭扳手的情況下憑經驗將支架固定螺栓重新擰緊，因此螺栓再次擰緊時扭矩值沒有保證和記錄。該擋泥板支架按路試要求，需要滿足行駛里程10 000 km后不發(fā)生故障為合格，但其只覆蓋了試驗總里程的1/10時便發(fā)生了早期的功能失效。為了查明該螺栓斷裂原因，避免類似的斷裂失效再次發(fā)生，對斷裂后的后擋泥板支架固定螺栓進行了理化檢驗與分析[1]。

1 試驗部分

將斷裂螺栓斷口清理干凈，使用Olympus DSX1000型光學顯微鏡對其宏觀形貌進行觀察分析，并作出初步判斷；使用Zeiss Sigma300型掃描電子顯微鏡(SEM)對螺栓斷口微觀形貌進行觀察分析，并判斷斷裂類型；使用Zeiss Smartzoom 5型光學顯微鏡，對斷裂螺栓斷口附近基材進行金相檢驗；使用Swiss Thermo ARL4460型直讀光譜儀，對斷裂螺栓母材化學成分進行測量；采用美國Wilson R574洛氏硬度計，測試斷口區(qū)域的洛氏硬度。

2 理化檢驗

2.1 宏觀分析

3根斷裂螺栓，僅存螺紋部分，斷裂螺栓外觀如圖1所示，斷裂位置均位于螺栓的螺紋牙底處，螺栓斷口比較齊平，未見明顯的塑性變形特征。

圖1 斷裂螺栓外觀

對斷裂螺栓進行斷口宏觀分析，結果表明：3根斷裂螺栓的斷裂形貌可分為裂紋源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和最后瞬斷區(qū)3個區(qū)域[2-4]，斷口宏觀形貌如圖2所示。

圖 2 斷裂螺栓斷口宏觀形貌

(1)觀察螺栓螺紋牙根處，可見疲勞裂紋源，裂紋源表面可見銹蝕、磨損的痕跡；

(2)疲勞擴展區(qū)，前期疲勞貝紋線不明顯，但隱約可見，后期裂紋擴展充分輝紋加粗細密平直，約占整個斷面面積的80%，呈疲勞特征；

(3)最后瞬斷區(qū)位于螺栓另一側，存在剪切特征，約占整個斷面面積的20%，最后瞬斷區(qū)較小，說明螺栓斷裂時所受應力較小，為典型的低應力高周疲勞斷裂特征。從最后瞬斷區(qū)與裂紋源區(qū)偏移一定的距離考慮，螺栓在斷裂前已經松動；

(4)由于斷裂位置、機制一致，斷口破壞程度不同，抽取兩件螺栓進行理化分析。

綜上分析，螺栓宏觀的斷裂機制為疲勞斷裂[5-7]。

2.2 化學成分分析

試樣分別取自1#螺栓和2#螺栓，采用OES進行化學成分分析，檢測結果見表1。

表1 化學成分檢測結果 單位：%

由表1可知，1#和2#斷裂螺栓的化學成分符合GB/T 6478—2015標準對ML35CrMo鋼化學成分的要求。

2.3 洛氏硬度試驗

采用洛氏硬度計對斷裂螺栓進行芯部硬度(HRC)測試，硬度測試結果見表2。結果顯示，1#螺栓平均值為37.8 HRC，2#螺栓平均值為38.0 HRC，其硬度符合GB/T 3098.1—2010中對洛氏硬度的要求。

表2 螺栓硬度測試結果

2.4 金相檢驗

在1#螺栓和2#螺栓斷口附近制取截面金相試樣，按GB/T 13298—2015標準依次鑲嵌、磨拋和腐蝕，觀察其微觀組織，根據GB/T 10561—2005/ISO 4967：2013(E)標準對非金屬夾雜物進行評定[8]，其評定結果見表3。

表3 非金屬夾雜物評定結果

斷裂螺栓裂紋源處無非金屬夾雜物凝聚現象，未發(fā)現凹坑、折疊等表面缺陷，如圖3所示。

2.3 各組外周血及骨髓中轉錄因子Foxp3 mRNA、RORγt mRNA表達水平 結果(表3)表明：外周血及骨髓中，初發(fā)組及復發(fā)/難治組患者Foxp3較平臺期組和正常對照組升高(P<0.05)；初發(fā)組及復發(fā)/難治組RORγt mRNA略高于平臺期組及正常對照組，但差異無統(tǒng)計學意義。

圖3 非金屬夾雜(100×)

采用4%的硝酸酒精浸蝕試樣后觀察基材金相組織發(fā)現：斷裂螺栓的顯微組織均為回火索氏體+少量鐵素體組織形貌，如圖4所示。

圖4 螺栓金相組織(500×)

對螺栓螺牙邊緣進行脫碳層檢測，結果顯示其桿部脫碳層深度為0 mm，即無脫碳層，如圖5所示。

圖5 螺牙邊緣組織(100×)

根據金相分析可知，螺栓裂紋源部位未見非金屬夾雜物超標現象，螺栓經過調質處理，金相組織正常，螺紋無脫碳。

2.5 螺栓微觀斷口分析

采用掃描電子顯微鏡對1#螺栓和2#螺栓斷口表面進行觀測，螺栓斷口整體形貌如圖6所示。

圖6 螺栓斷口整體形貌

將1#螺栓斷口標記為A1—A4共4個區(qū)域，2#螺栓斷口標記為B1—B4共4個區(qū)域。A1和A2區(qū)為裂紋源區(qū)，區(qū)域磨損銹蝕較為嚴重，已無法觀察原始形貌，如圖7(a)和圖7(b)所示； B1、B2、C1、C2區(qū)為疲勞擴展區(qū)，觀察可見明顯疲勞輝紋條帶并伴有二次裂紋，呈疲勞斷裂特征[9-11]，如圖7(c)—(f)所示；D1和D2區(qū)為最后瞬斷區(qū)形貌，觀察1#呈剪切韌窩形貌，2#呈準解理+韌窩形貌，如圖7(g)和圖7(h)所示。

圖7 螺栓斷口A1—D2區(qū)域形貌

根據上述微觀形貌圖分析得出，螺栓裂紋擴展的微觀機制為疲勞斷裂[12]。

3 分析與討論

斷裂螺栓斷口宏觀分析表明，斷裂螺栓裂紋源位于螺紋牙底處，裂紋源處未見明顯塑性變形，疲勞擴展區(qū)有疲勞貝殼紋特征，為典型的疲勞斷裂特征。

斷裂螺栓斷口的微觀組織形貌分析表明，裂紋源位于螺紋牙底處，并以疲勞的形式向螺栓芯部擴展，裂紋源區(qū)銹蝕嚴重，已無法觀看原始形貌，螺栓斷裂的微觀機制為疲勞斷裂。

誘發(fā)螺栓產生疲勞裂紋的原因大致有兩個方面：(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)，螺栓在使用過程中受到振動沖擊，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[13]。上述各項檢驗結果表明，該螺栓的斷裂與材質本身、熱處理及螺栓加工質量無關，因此排除第一方面因素的影響。通過MES系統(tǒng)追溯螺栓出廠前的裝配扭矩，復查發(fā)現裝配扭矩滿足(175±26.3)N·m的工藝要求，因此排除首次裝配扭矩值超標的影響。

后擋泥板支架在車架上安裝形式是懸臂梁結構，該斷裂螺栓在安裝后承受的載荷主要是軸向預緊力及支架振動時的剪切應力；耐久試驗樣車行駛路況較差，擋泥板支架將帶動螺栓進行上下振動，如果此刻螺栓連接產生松動，螺栓將承受較大的彎曲、沖擊等交變應力，而螺紋底又是應力集中部位，因此在該位置最先產生疲勞裂紋，疲勞裂紋在交變載荷反復作用下以疲勞的方式向螺栓芯部不斷擴展，直至最終螺栓失穩(wěn)斷裂。

由于該螺栓斷裂之前更換過后擋泥板支架，當時是在沒有定扭扳手的情況下憑經驗將支架固定螺栓擰緊的，故無從知曉螺栓二次裝配時的扭矩值大小。有可能當時螺栓在裝配時扭矩值未達到(175±26.3) N·m的工藝要求。裝配扭矩值未達標時，螺栓產生的預緊力會偏小，在此情況下螺栓使用一段時間后會出現松動，最終導致其疲勞斷裂。

4 結論

通過文中分析可知，后擋泥板支架與車架固定螺栓斷裂的性質為低應力高周疲勞斷裂；該螺栓安裝沒有采取防松措施造成螺栓松動，應力集中的螺紋牙底受交變應力作用而萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋在工作應力及振動等交變載荷作用下不斷擴展，最后疲勞斷裂；更換后擋泥板支架時的裝配扭矩值是否達到(175±26.3)N·m，也可能是螺栓疲勞斷裂的原因[14]。為此，提出了一些改進措施：加強螺栓裝配工序的管理，確保螺栓達到設定的預緊力，并采用涂膠螺栓、防松螺母或雙螺母等防松措施[15];建議路試試驗人員在更換螺栓或其他零部件時，一定要按照設定的裝配扭矩用定扭扳手擰緊螺栓，避免因裝配扭矩不足或過大導致的螺栓失效問題。