悬置螺栓断裂失效分析

2020-07-09庞院王福平马秋郭秋彦袁成逸

环境技术 2020年3期

关键词：机械性能紧固件摩擦系数

庞院，王福平，马秋，郭秋彦，袁成逸

（浙江吉利汽车研究院有限公司，宁波 315336）

引言

汽车悬置螺栓的作用是将动力总成与车体连接在一起，是整车装配中非常重要的紧固件。悬置螺栓的材料、规格、等级、表面处理的选择以及装配工艺的设定等，都直接或间接的影响悬置装配的可靠性。

1 背景介绍

某车型悬置螺栓在生产现场批量装配时发生多次断裂，螺栓材料牌号SCM435，性能等级10.9级，表面达克罗处理，装配扭矩（90±9）N.m。

据生产现场反馈，生产线装配的螺栓存在两种批次，181101批次（新购）和171224批次（小批量装车时剩余），现场断裂的螺栓均为171224批次。

为分析螺栓断裂的原因，对该断裂螺栓、现场两批次完好螺栓开展了断口、化学成分、力学性能、拧紧性能方面的试验分析，以便查找出螺栓断裂原因。

2 试验验证及结果分析

2.1 断口分析

2.1.1 宏观断口分析

对断裂螺栓做宏观断口观察发现，螺栓从螺纹根部附近断裂，断口附近有明显的塑形变形和缩颈，断裂图片见图1所示；断口有明显的扭转痕迹，断口图片见图2。

综合宏观断口分析，初步判定螺栓的断裂形式为过载断裂。

图1 断裂螺栓宏观图片

图2 宏观断口图片

图3 微观断口图片

表1 悬置螺栓化学成分测试（质量分数）

2.1.2 微观断口分析

将断口表面清洗后在扫描电镜下做微观分析，未发现异常缺陷，断口微观形貌呈拉伸变形的韧窝状花样[1]，见图3。

从微观形貌更进一步说明了螺栓的断裂类型为过载导致的韧性断裂。

2.2 化学成分分析

对断裂螺栓断口附近取样进行化学成分分析，测试结果见表1，满足SCM435材料的化学成分要求，螺栓化学成分合格。

表2 不同批次悬置螺栓机械性能测试

2.3 机械性能分析

对从生产现场存在的两种批次的螺栓分别取样做机械性能分析，测试结果见表2，满足10.9级螺栓的机械性能要求，螺栓硬度、抗拉强度合格。

表3 不同批次悬置螺栓紧固特性值测试

2.4 拧紧试验分析

从生产现场每批次抽取4只开展螺栓拧紧试验验证，设置的螺栓拧紧工艺为标准条件下将螺栓拧紧至断裂。螺纹副的摩擦系数、K值、扭矩等为轴向力38.56 kN（ISO16047[2]中规定取被测螺栓保证载荷的75 %）时的测试值。测试结果见表3。

2.4.1 不同批次螺栓的紧固特性值对比分析

由两批次螺栓拧紧试验测得的螺栓紧固特性值结果可知，181101、171224两批次的螺栓在轴向力相同的情况下，181101批次螺栓的紧固特性值（Ttot、Tb、Tth、μtot、μb、μth、K）均高于171224批次的螺栓，且测试结果的一致性较好，171224批次的紧固特性值波动较大，测试结果的一致性较差。

2.4.2 K系数对螺栓扭矩的影响分析

由两批次螺栓拧紧试验测得的螺栓紧固特性值结果可知，181101批次的K系数较稳定（0.21、0.22），171224批次的K系数波动较大（0.15-0.19），且较181101批次的低。

根据扭矩计算公式可知，在轴向力相同（F=38.56 kN）的情况下，K系数越小，总扭矩T越小；在总扭矩T相同的情况下，K系数越小，螺栓拧紧时的轴向力越大，越容易出现过载断裂。

因此，若在装配扭矩均为（90±9）N.m的情况下，171224批次的螺栓在拧紧过程中产生的轴向预紧力会比181101批次螺栓高，更容易出现断裂现象。

2.4.3 μb、μth对轴向预紧力的影响分析

根据紧固扭矩公式：