M16刹车盘螺栓拉长分析报告

邓建

摘 要 对断裂螺栓进行宏观和微观检验及化学成份分析，结果表明：螺栓的所有机械性能均符合国家标准要求。螺栓断裂的主要原因是由于设计方，所设计的摩擦系数与实际装配扭矩不匹配，造成螺栓在实际装配过程中紧固系统出现过拧，从而导致螺栓断裂。

关键词 六角法兰螺栓;断裂;摩擦系数;装配扭矩;失效分析

概述

收到零件号为G01-07007 规格为M16×2.0×40的10.9级六角法兰螺栓断件2件，螺栓表面油磷化，样件如下图，螺栓材质为40Cr。经委托方描述，螺栓在实际安装过程中断裂， 现场实际装配扭矩为390～4300Nm，委托方要求分析螺栓实际断裂原因。

2 宏观分析

图1所示为样品宏观形貌，从宏观形貌可见，螺栓在断裂前发生了明显的塑性变形，整个断口宏观上可以分为3个区：断裂源、放射区和终断区。断裂源区位于螺栓边缘，如上图1-2A区所示，该区域面积较小;放射区为快速断裂的脆性断裂区，呈现明显的放射状条纹特征，放射状条纹沿螺栓拧紧方向呈旋转状，并收敛与A区，即A点为断裂源，放射区面积较大，约占有整个端口面积的70%～80%;并在螺栓断口四周形成了剪切唇，剪切唇表面光滑，与拉应力成45°角。这些特征表明，该螺栓断口是在扭转载荷作用下发生的混合型断裂。

3 化学成分分析

采用直读光谱法对螺栓进行化学成分分析，结果如下表所示，其化学成分符合40Cr钢的要求。

4 硬度测试

对该产品进行洛氏硬度测试，硬度均值为36.7HRC，均符合标准GB/T 3098.1-2010的要求（32～39HRC）。

5 摩擦系数分析

根据委托方提供，该款零件的实际摩擦系数在0.08～0.10之间，且实际装配扭矩为390～430Nm，根据标准GB/T16823.3-2010对装配扭矩及摩擦系数进行计算：

6 综合分析

从上述分析结果可知，螺栓所有机械性能均符合标准要求。根据宏观分析结果可知，螺栓在断裂前发生了明显的塑性形变，说明螺栓在断裂前承受了较大的轴向拉伸力。

通过送样人反馈的摩擦系数及客户实际装配扭矩计算可知，螺栓所产生的最大轴向力为197.5kN，约占保证载荷的151.9%，而螺栓所产生的最小轴向力为147.6kN，约占保证载荷的113.5%，故螺栓在实际装配中，所产生的轴向拉伸力已远远超过了螺栓的保证载荷。

根据国标GBT3098.13第4条计算M16×2.0最小破坏扭矩为376.59kN，螺栓在塑性变形后的最小破坏扭矩约为252.95Nm。而實际装配扭矩为390～430Nm，已远远超过了螺栓的保证最小破坏扭矩，在塑性形变后螺栓不能继续承受该装配扭矩而发生扭转断裂。

综上所述，螺栓在装配过程中承受较大的装配力矩，导致螺栓拉长变形，变形后螺栓无法继续承受该装配扭矩，导致旋转力大于螺栓变形后的实际破坏扭矩，促使螺栓在拧紧过程中发生断裂。

7 结论

产品在实际设计中，未考虑到螺栓的破坏扭矩，及螺栓的综合受力性能，导致在实际装配中所产生的轴向拉伸力及破坏扭矩，超过了螺栓的安全承载性能，最终导致螺栓断裂。

在设计中，应综合考虑螺栓的摩擦系数、实际装配扭矩和螺栓的受力情况，不能一味的认为轴向拉伸力越大其锁紧效果就越好。充分的利用螺栓的性能，才能达到更好的锁紧效果。