自行車螺栓斷裂失效分析

10.9級(jí)SCM435制作的螺栓, 規(guī)格為M10，用于固定皮帶張緊輪，安裝扭矩55N•m，未采用防松措施，在車輛行駛幾百公里后斷裂。

圖11-181箭頭所示為殘留在安裝孔內(nèi)的斷裂螺栓殘件。

圖11-181 斷裂螺栓及安裝位置

對(duì)斷裂件檢查，螺栓斷口宏觀形貌上可見斷裂源位于螺紋牙底，斷面平坦粗糙，表面除有少量氧化銹蝕外無其他明顯腐蝕產(chǎn)物和低倍缺陷，斷口無明顯宏觀塑性變形。

圖11-182為螺栓斷口宏觀形貌斷，圖11-183為斷裂螺栓宏觀形貌。

圖11-182  斷裂件斷口宏觀形貌        圖11-183斷裂件宏觀形貌

斷口掃描電鏡檢查，可見斷面位于螺紋牙底，表面粗糙，放射條紋不明顯，但隱約可見；斷口附近無明顯磨損擦傷痕跡和宏觀塑性變形，低倍形貌如圖11-184所示。

圖11-185所示為斷口一側(cè)邊緣的微觀形貌，可見該處存在較多輪輻狀臺(tái)階，為裂紋起始區(qū)，斷口外側(cè)邊緣無明顯碰傷或磨損痕跡。

圖11-186、圖11-187所示為斷口中部的疲勞擴(kuò)展區(qū)微觀形貌，可見典型疲勞條帶，疲勞條帶間距較小，約2～5μm。

圖11-188所示為斷面最后斷裂區(qū)的終斷區(qū)微觀形貌，可見明顯的韌窩形貌，該區(qū)域面積較小，不足整個(gè)斷面的10%。

圖11-184   斷口低倍形貌               圖11-185 斷面裂紋起始區(qū)微觀形貌

圖11-186 斷面裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌        圖11-187 斷面裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

                圖11-188   斷面終斷區(qū)微觀形貌

斷裂螺栓的心部金相組織檢查，為均勻的回火索氏體組織；螺紋部位的金相組織，碳勢(shì)正常，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

斷裂螺栓的非金屬夾雜物檢查，根據(jù)《GB/T 10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)定滿足技術(shù)要求。

斷裂螺栓硬度試驗(yàn)結(jié)果：心部硬度 360、352、356 HV10；表面硬度 363、365、366 HV0.3；斷裂螺栓的表面與心部硬度滿足《GB/T 3098.1-2010》對(duì)于10.9級(jí)螺栓的要求。

采用直讀光譜法對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，材質(zhì)符合《JIS G4053-2003》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)SCM435鋼要求。

斷裂螺栓金相組織、化學(xué)成分、表面不連續(xù)性、表面及心部硬度等均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，斷裂與材質(zhì)無關(guān)。

斷口微觀形貌可見間距較窄的疲勞輝紋，但宏觀形貌未見海灘花樣，說明從疲勞裂紋萌生到螺栓斷裂經(jīng)歷時(shí)間較短且服役環(huán)境未發(fā)生明顯變化。

疲勞源區(qū)位于螺紋牙底，源區(qū)可見明顯的輪輻臺(tái)階，說明疲勞性質(zhì)為應(yīng)力集中明顯的多源疲勞；終斷區(qū)面積不足整個(gè)斷面面積的10%，說明斷裂時(shí)螺栓承受應(yīng)力較小。由此可知，螺栓承受交變載荷的次數(shù)較高但載荷不大，說明螺栓在斷裂前已經(jīng)松動(dòng)。

該斷裂螺栓在安裝后承受的載荷主要為軸向預(yù)緊力及皮帶輪張緊產(chǎn)生的剪切應(yīng)力；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，在沒有采取防松措施的情況下螺栓容易松動(dòng)，螺栓松動(dòng)后將承受交變彎曲載荷，此類載荷是導(dǎo)致螺栓疲勞的重要形式。

盲孔邊緣為彎曲應(yīng)力最大位置，而螺紋牙底又是應(yīng)力集中部位，因此在該位置最先萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋在交變載荷作用下不斷擴(kuò)展，直至最終螺栓失穩(wěn)斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺栓的斷裂性質(zhì)是高周低應(yīng)力疲勞斷裂。

（2）該螺栓安裝沒有采取防松措施造成螺栓松動(dòng)，應(yīng)力集中的螺紋牙底受交變載荷作用而萌生疲勞裂紋，疲勞裂紋在交變載荷作用下不斷擴(kuò)展，最后疲勞斷裂。

（3）加強(qiáng)安裝環(huán)節(jié)的管理，確保螺栓達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)緊力，并采用適當(dāng)?shù)姆浪纱胧?/span>

（4）為了增加螺栓抗疲勞性能，在螺栓加工過程中，可采用先熱處理后滾壓螺紋的工藝。