分享：SCM435鋼搖臂螺栓斷裂原因

SCM435鋼是一種典型的中碳低合金冷鐓鋼,其碳、鉻、鉬元素的含量較高,淬透性良好,該鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)后可以獲得較高的抗疲勞強度、抗沖擊性能和低溫韌性,綜合性能優(yōu)良,主要用于生產(chǎn)10.9,12.9級的高強度緊固件,廣泛應(yīng)用于汽車制造、軌道交通、工程機械和風力發(fā)電等領(lǐng)域[1-3]。搖臂螺栓是發(fā)動機的重要零部件之一,工作時需要承受較大的拉力、扭力和交變應(yīng)力[4-5]。某公司采購了一批SCM435鋼六角法蘭螺栓,用于固定汽車發(fā)動機搖臂,當運行約11.3萬km時,發(fā)動機出現(xiàn)嚴重異響,經(jīng)過排查,發(fā)現(xiàn)搖臂螺栓斷裂導致運行過程中發(fā)動機氣閥室罩蓋損壞。該搖臂螺栓的具體加工過程為：直徑為12 mm的母材→兩球兩拉至直徑9.7 mm→冷鐓→機械加工→搓絲→熱處理→發(fā)黑等。 

筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試、掃描電鏡（SEM）分析等方法對螺栓斷裂原因進行分析,以防止該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂搖臂螺栓和斷口宏觀形貌如圖1所示。將螺栓線切割后,在斷口處縱剖并冷鑲嵌。由圖1可知：螺栓螺桿處斷裂為兩段,斷裂處位于第5螺紋牙和第6螺紋牙之間。 

圖  1  斷裂搖臂螺栓和斷口宏觀形貌

采用超聲波乙醇溶液清洗試樣后,在體視顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷口呈彎曲疲勞斷裂特征,疲勞源位于螺紋牙根部,斷口呈銀亮色[見圖2a)]；法蘭支撐面存在環(huán)形分布的小臺階,約占整個圓周的3/5,小臺階處呈銀亮色[見圖2b)]。 

圖  2  斷裂螺栓斷口和法蘭宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在螺栓上截取試樣,根據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼　多元素含量的測定　火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對試樣進行化學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合產(chǎn)品要求。 

1.3   金相檢驗

將斷裂螺栓分為兩半,分別標記為1,2號螺栓,在1號斷裂螺栓上截取并制備金相試樣,將試樣磨制、拋光后,用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：腐蝕前,斷口處未發(fā)現(xiàn)氣孔及異常非金屬夾雜物等冶金缺陷,腐蝕后,疲勞源處的螺紋牙無脫碳現(xiàn)象,斷口處、螺紋牙處和基體的組織均為回火索氏體。 

圖  3  1號螺栓不同區(qū)域的微觀形貌

將垂直于斷口將另一半斷裂螺栓（2號螺栓）制備成金相試樣,將試樣進行冷鑲嵌、磨制、拋光后置于光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口處未發(fā)現(xiàn)氣孔及異常非金屬夾雜物等冶金缺陷[見圖4a)]；疲勞源處的螺紋牙無脫碳現(xiàn)象[見圖4b)]；整個試樣組織正常,均為回火索氏體。 

圖  4  2號螺栓不同區(qū)域的微觀形貌

在斷裂螺栓法蘭上沿虛線縱向截取試樣（見圖5）,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖6a)~6b)所示。法蘭支撐面一側(cè)存在約高度為0.02 mm的臺階,另一側(cè)平整無臺階。用體積分數(shù)為4%的硝酸溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖6c)~6e)所示。法蘭支撐面臺階處存在明顯的磨損變質(zhì)層,平整處組織正常,螺栓平整處和法蘭處組織均為回火索氏體。 

圖  5  斷裂螺栓法蘭取樣位置示意

圖  6  法蘭不同區(qū)域的微觀形貌

1.4   硬度測試

用維氏硬度計對試樣進行硬度測試,載荷為4.9 N,保持時間為15 s,分別在斷口斷裂源處、斷裂源螺紋牙處、遠離斷裂源螺紋牙處和心部進行硬度測試,每處測量3個點,測試結(jié)果如表2所示。由表2可知：材料硬度滿足用戶使用要求(380~420 HV)。 

1.5   掃描電鏡分析

用超聲波溶液清洗試樣斷口,干燥后將試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：疲勞源區(qū)呈條狀疲勞紋形貌特征,擴展區(qū)及瞬斷區(qū)斷口呈韌窩形貌,為微孔聚集型斷裂機制[6-8]。 

圖  7  斷裂螺栓斷口處的整體和不同區(qū)域SEM形貌

2.   綜合分析

斷裂螺栓的化學成分和不同位置的硬度均符合產(chǎn)品要求,斷口處未發(fā)現(xiàn)氣孔及異常非金屬夾雜物等冶金缺陷。疲勞源處的螺紋牙無脫碳現(xiàn)象,整個試樣組織正常,為回火索氏體,說明母材質(zhì)量和熱處理工藝都不存在問題,但是法蘭支撐面一側(cè)存在約高度為0.02 mm的臺階,且臺階處存在和其他位置明顯不同的磨損變質(zhì)層[9],同時試樣斷口經(jīng)超聲波溶液清洗后呈銀亮色,疲勞源區(qū)呈條狀疲勞紋形貌,擴展區(qū)及瞬斷區(qū)呈韌窩形貌特征,這表明螺栓在使用過程中極有可能存在偏載現(xiàn)象,進而導致螺栓疲勞斷裂。 

正常情況下,螺栓應(yīng)承受拉伸應(yīng)力或剪切應(yīng)力,但是若螺栓在使用過程中出現(xiàn)偏載現(xiàn)象,就會承受異常的彎曲應(yīng)力,當螺栓所承受的彎曲應(yīng)力超過螺紋牙根部材料的彎曲疲勞強度時,就會產(chǎn)生疲勞裂紋,疲勞裂紋進一步擴展導致螺栓斷裂。因此,應(yīng)根據(jù)螺栓的實際裝配情況、使用工況及相關(guān)零件狀況確定異常彎曲應(yīng)力的來源。綜合考慮,該螺栓斷裂的原因是螺栓在使用過程中出現(xiàn)偏載現(xiàn)象,導致螺栓承受了超出其疲勞強度的異常彎曲應(yīng)力。 

3.   結(jié)論及建議

（1）螺栓的化學成分和硬度等均滿足產(chǎn)品要求,顯微組織無異常,材料品質(zhì)合格。 

（2）在螺栓使用過程中,由偏載產(chǎn)生的異常彎曲應(yīng)力超出螺栓疲勞強度是導致螺栓斷裂的根本原因。 

（3）建議采用提高裝配精度、零件質(zhì)量和表面潔凈度等方法來防止螺栓偏載。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)