卡箍螺栓螺帽組合件失效分析

 委托方提供失效卡箍螺栓螺母組合件2組(螺母已脫落)，未安裝的完好件若干組，卡箍材質(zhì)為304不銹鋼，螺栓材質(zhì)為304Cu不銹鋼，規(guī)格為M6，螺母材質(zhì)為316L，是帶防松功能的施必牢螺母。組合件用于連接緊固汽車發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器和三元催化器，安裝扭矩為8 N-Ill，最高工作溫度為475℃。

據(jù)委托方反映，路試7萬km中途螺母脫落造成組合件失效，要求分析失效原因。

1 失效螺栓螺母組合件檢測

1．1 宏觀分析

   圖1所示為組合件安裝位置示意圖。圖2為送檢試樣宏觀形貌，可見失效試樣表面帶有明顯的氧化色。圖3為失效螺栓宏觀形貌，可見螺栓已發(fā)生明顯的彎曲現(xiàn)象。圖4為1#和2#失效螺栓螺紋低倍形貌，可見多處螺紋出現(xiàn)較嚴(yán)重的損傷(箭頭所示)。圖5所示為模擬安裝示意圖。安裝后拆卸發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)輕微彎曲變形，如圖6所示。圖7為螺紋表面低倍形貌，可見牙紋出現(xiàn)輕微損傷。

1．3 橫向振動(dòng)測試

對送撿螺栓進(jìn)行橫向振動(dòng)試驗(yàn)，測試組合件的防松能力。 圖8a為第1種模擬試驗(yàn)試樣安裝，模擬卡箍與法蘭配合良好，螺栓未發(fā)生彎曲變形時(shí)情況； 圖8b為第2種模擬試驗(yàn)試樣安裝，增加一塊12°的斜墊．模擬當(dāng)卡箍法蘭配合不良時(shí)導(dǎo)致螺栓發(fā)生彎曲的情況、橫向振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)：試驗(yàn)頻率為12．5 Hz，振幅為0．6mm，振動(dòng)力為1．0 kN ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。2次模試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試樣殘余軸力均趟過初始軸力的70％ ，但方案2(螺栓彎曲)預(yù)緊力下降幅度略大于方案1。

1．5 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜法對失效螺拎進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表4，化學(xué)成分符合EN 10269-1999 1[2]于304Cu鋼的要求。

2 綜合分析

送檢螺栓橫向振動(dòng)試驗(yàn)指標(biāo)，化學(xué)成分及螺母保載試驗(yàn)指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。失效螺栓宏觀形貌顯示出明顯彎曲，同時(shí)多處螺紋出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷。而模擬安裝后的螺栓同樣出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，但螺紋只出現(xiàn)局部輕微損傷，可以推斷失效螺紋處的損傷一方面是由于安裝時(shí)因螺栓彎曲而與卡箍孔擠壓造成；另一方面是由于連接副松動(dòng)后螺紋與卡箍孔擠壓所致。由此可見，引起組合件失效的根本原因是螺母松動(dòng)。

連接副中采用的施比牢螺母因其具有特殊的螺紋幾何結(jié)構(gòu)而具有一定的防松能力，但是這種防松能力與連接副的預(yù)緊力有關(guān)，預(yù)緊力越小，其防松能力

越低。由于組合件的工作溫度較高，通常高溫下工作的螺栓會(huì)發(fā)生蠕變松弛現(xiàn)象 。蠕變松弛會(huì)導(dǎo)致螺栓伸長、預(yù)緊力下降，而且這種松弛會(huì)隨工作時(shí)間而不斷累積，不可恢復(fù)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，螺栓又恢復(fù)到室溫，但高溫下產(chǎn)生的蠕變卻不能恢復(fù)，因此螺栓會(huì)產(chǎn)生永久性伸長，螺栓伸長后其預(yù)緊力會(huì)降低，如此反復(fù)，施必牢螺母的防松能力不斷下降直至不能滿足要求，而車輛在運(yùn)行中可能會(huì)有振動(dòng)，從而導(dǎo)致螺母松脫掉落。螺栓的蠕變試驗(yàn)顯示，在475 oC環(huán)境下保持安裝預(yù)緊力72 h，螺栓伸長1．193 mm，說明該螺栓的蠕變比較明顯，這也驗(yàn)證了上述推論[4-5 ]。

   構(gòu)件的抗蠕變松弛性能不僅與材料屬性有關(guān)，同時(shí)也與工作溫度和所受應(yīng)力密切相關(guān)，溫度越高，應(yīng)力越大，則蠕變越明顯，因此，為避免蠕變松弛現(xiàn)象造成類似緊固失效的發(fā)生，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：(1)選用抗蠕變性能更好的材料，如高溫合金；(2)施加合適的預(yù)緊力；(3)考慮組合件與被連

接件之間熱膨脹系數(shù)的匹配性；(4)采用其他防松方式，如用全金屬鎖緊螺母替代施必牢螺母，選用細(xì)牙螺紋等。

3 結(jié)論

(1)送檢卡箍組合件的失效是由于高溫下螺栓發(fā)生蠕變松弛導(dǎo)致螺母失去鎖緊功能而引起的。

(2)送檢螺栓抗拉強(qiáng)度不符合圖紙要求。

(3)建議選用抗蠕變性能更好的材料，同時(shí)采用其他防松方式。