鄧建

浙江鼎盛汽車緊固件有限公司 浙江 嘉興 314000

概述

收到零件號(hào)為G01-07007 規(guī)格為M16×2.0×40的10.9級(jí)六角法蘭螺栓斷件2件，螺栓表面油磷化，樣件如下圖，螺栓材質(zhì)為40Cr。經(jīng)委托方描述，螺栓在實(shí)際安裝過程中斷裂， 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝配扭矩為390～4300Nm，委托方要求分析螺栓實(shí)際斷裂原因。

圖1 委托方樣件宏觀形貌

2 宏觀分析

圖1所示為樣品宏觀形貌，從宏觀形貌可見，螺栓在斷裂前發(fā)生了明顯的塑性變形，整個(gè)斷口宏觀上可以分為3個(gè)區(qū)：斷裂源、放射區(qū)和終斷區(qū)。斷裂源區(qū)位于螺栓邊緣，如上圖1-2A區(qū)所示，該區(qū)域面積較?。环派鋮^(qū)為快速斷裂的脆性斷裂區(qū)，呈現(xiàn)明顯的放射狀條紋特征，放射狀條紋沿螺栓擰緊方向呈旋轉(zhuǎn)狀，并收斂與A區(qū)，即A點(diǎn)為斷裂源，放射區(qū)面積較大，約占有整個(gè)端口面積的70%～80%；并在螺栓斷口四周形成了剪切唇，剪切唇表面光滑，與拉應(yīng)力成45°角。這些特征表明，該螺栓斷口是在扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生的混合型斷裂。

3 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜法對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如下表所示，其化學(xué)成分符合40Cr鋼的要求。

C%Si%Mn%P%S%Cr%標(biāo)準(zhǔn)0.37-0.44 0.17-0.37 0.50-0.80≤0.025≤0.025 0.80-1.10實(shí)測(cè)0.38 0.18 0.61 0.015 0.005 0.91

4 硬度測(cè)試

對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，硬度均值為36.7HRC，均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1-2010的要求（32～39HRC）。

5 摩擦系數(shù)分析

根據(jù)委托方提供，該款零件的實(shí)際摩擦系數(shù)在0.08～0.10之間，且實(shí)際裝配扭矩為390～430Nm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T16823.3-2010對(duì)裝配扭矩及摩擦系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

預(yù)緊力下扭矩T（Nm）預(yù)緊力kN總摩擦系數(shù)μtot預(yù)緊力與保證載荷比率%390.0 179.1 0.080 137.8%430.0 197.5 0.080 151.9%390.0 147.6 0.100 113.5%430.0 162.8 0.100 125.2%

6 綜合分析

從上述分析結(jié)果可知，螺栓所有機(jī)械性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)宏觀分析結(jié)果可知，螺栓在斷裂前發(fā)生了明顯的塑性形變，說明螺栓在斷裂前承受了較大的軸向拉伸力。

通過送樣人反饋的摩擦系數(shù)及客戶實(shí)際裝配扭矩計(jì)算可知，螺栓所產(chǎn)生的最大軸向力為197.5kN，約占保證載荷的151.9%，而螺栓所產(chǎn)生的最小軸向力為147.6kN，約占保證載荷的113.5%，故螺栓在實(shí)際裝配中，所產(chǎn)生的軸向拉伸力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了螺栓的保證載荷。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GBT3098.13第4條計(jì)算M16×2.0最小破壞扭矩為376.59kN，螺栓在塑性變形后的最小破壞扭矩約為252.95Nm。而實(shí)際裝配扭矩為390～430Nm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了螺栓的保證最小破壞扭矩，在塑性形變后螺栓不能繼續(xù)承受該裝配扭矩而發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂。

綜上所述，螺栓在裝配過程中承受較大的裝配力矩，導(dǎo)致螺栓拉長(zhǎng)變形，變形后螺栓無(wú)法繼續(xù)承受該裝配扭矩，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)力大于螺栓變形后的實(shí)際破壞扭矩，促使螺栓在擰緊過程中發(fā)生斷裂。

7 結(jié)論

產(chǎn)品在實(shí)際設(shè)計(jì)中，未考慮到螺栓的破壞扭矩，及螺栓的綜合受力性能，導(dǎo)致在實(shí)際裝配中所產(chǎn)生的軸向拉伸力及破壞扭矩，超過了螺栓的安全承載性能，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

在設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮螺栓的摩擦系數(shù)、實(shí)際裝配扭矩和螺栓的受力情況，不能一味的認(rèn)為軸向拉伸力越大其鎖緊效果就越好。充分的利用螺栓的性能，才能達(dá)到更好的鎖緊效果。