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自行車螺栓斷裂失效分析

2020-08-03 13:28:48 

10.9級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

圖11-181 斷裂螺栓及安裝位置

對斷裂件檢查,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

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

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

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

圖11-188 斷面終斷區(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定標準》評定滿足技術(shù)要求。

斷裂螺栓硬度試驗結(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》對于10.9級螺栓的要求。

采用直讀光譜法對螺栓進行化學(xué)成分分析,材質(zhì)符合《JIS G4053-2003》標準中對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準要求,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)面積不足整個斷面面積的10%,說明斷裂時螺栓承受應(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。

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)動機運行時會產(chǎn)生較強的振動,在沒有采取防松措施的情況下螺栓容易松動,螺栓松動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,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展,最后疲勞斷裂。

(3)加強安裝環(huán)節(jié)的管理,確保螺栓達到設(shè)計的預(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。

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